background image

 

1

 

Carbohydrates 

[CHO] 

 

Chemistry of Carbohydrates 

  All  carbohydrates  contain  C          O  &OH-functional  groups  & 
are classified into: 
 
1-Monosaccharides... 
Simple sugar that can not hydrolyzed to a 
simpler form, it may contain three, four, five, six or more carbon 
atoms known respectively as trioses, tetroses, pentoses, hexoses 
& so on. 
  Monosaccharides  may  be  aldoses  or  ketoses  depending  upon 
whether  they  have  an  aldehyde  or  ketone  group  respectively. 
Most  important  monosaccharides  are  hexoses  like  glucose, 
galactose  &  fructose  which  are  reducing  substances  because  it 
contains aldehyde or ketone groups.  
  Monosaccharides  have  stereoisomer  property  which  could  be 
D  (common)  or  of  its  mirror  image  L  (D  on  right  &  L  on  left) 
depending  on  position  of  hydroxyl  group  at  carbon  atom 
adjacent to the terminal alcohol carbon ((C

in glucose))

.

 


background image

 

2

 

 

 
2-Disaccharides...
  They  are  products  of  chemical  reaction 
between two monosaccharides with loss  of a molecule of water 
(can be hydrolyzed), the linkage between two  monosaccharides 
known as glycosidic link. 
Examples of disaccharides are maltose, lactose & sucrose. 
  If the glycosidic link between aldehyde or ketone group of one 
monosaccharide 

the 

hydroxyl 

group 

of 

another 

monosaccharide  the  produced  disaccharide  have  reducing 
property as in maltose (glucose + glucose) & lactose (glucose + 
galactose  )  while  if  the  glycosidic  link  between  aldehyde  or 
ketone  group  of  the  two  molecules  of  monosaccharide  the 
produced  disaccharide  have  no  reducing  property  as  in  sucrose 
(glucose + fructose). 
 
3-Oligosaccharides...
They  are  products  of  condensation  of  3- 
10 monosaccharide units as in maltotriose. 
 
4-Polysaccharides…
  They  are  products  of  condensation  of 
more than 10 monosaccharide units; examples are:- 


background image

 

3

 

 A-Starch-  Polysaccharide  of  plant  origin  consist  of  amylose 
(one  unbranched  chain  of  glucose  molecules  linked  by  α-1,  4-
glucosidic  linkages  with  only  terminal  aldehyde  is  free)  & 
amylopectin  (contain  α-1,  4-glucosidic  linkages  +  α-1,  6-
branched glucosidic linkages of glucose molecules).  
 B-Glycogen-Polysaccharide  of  animal  origin,  it  has  structure 
similar to amylopectin except that branching is more extensive. 

 

Fate of Carbohydrates

 

  Carbohydrates  account  for  a  large  proportion  of  daily  intake, 
dietary digestible  carbohydrates include mainly starch , sucrose 
and to less extent lactose. 
  In order of carbohydrates to be absorbed it should be converted 
to monosaccharides by digestion.  
  The absorbed monosaccharides (glucose, fructose & galactose) 
from small intestine reach the liver through portal vein, glucose 
is the only carbohydrate to be directly used for energy  or stored 
as glycogen while galactose & fructose are mainly converted to 
glucose in the liver before they can be used. 
 Pentoses  as  xylose,  arabinose  &  ribose  are  important  in 
nucleotides, nucleic acids & several coenzymes. 
  Carbohydrate  (mainly  glucose)  is  a  main  source  of  human 
energy  &  it  is  a  unique  source  of  energy  to  some  tissues  as 
nervous  system  including  the  brain  &  in  RBC,  therefore,  we 
concern with glucose. 
  After absorption of glucose it converted to glucose-6 phosphate 
inside the cells which may follow one of the following pathways 
depending  on  energy  requirement,  type  of  tissue  &  state  of 
glycogen storage.  
1-Glycolysis… Produce energy. 
2-Hexose  monophosphate  shunt  {phosphogluconate  oxidative 
pathway, pentose phosphate pathway}...Nucleotide synthesis. 
3-Glycogenesis... Storage. 
 
 
 
 


background image

 

4

 

 

 

Glycolysis 

    Glycolysis  is  the  major  pathway  for  glucose  metabolism, 
occurs  in  the  cytosol  of  all  cells  ((outside  the  mitochondria)) 
through  Embden-Meyerhof  pathway.  Its  unique  in  that  it  can 
function either aerobically  or anaerobically,  however , anaerobic 
conditions limit the amount of energy liberated /mole of glucose 
, therefore , more glucose are needed..  
   To  oxidize  glucose  beyond  pyruvate  (the  end  product  of 
glycolysis)  requires  oxygen,  mitochondrial  enzyme  system 

the 

citric 

acid 

cycle 

the 

respiratory 

chain.  

The  ability  of  glycolysis  to  provide  ATP  in  the  anaerobic 
conditions  are  especially  important  in  RBC  which  lack 
mitochondria & completely depend on glucose as their metabolic 
 fuel, 

also 

in 

skeletal 

muscle 

in 

anoxic 

episodes. 

However,  in  heart  muscle,  which  is  adapted  for  aerobic 
performance,  has  relatively  low  glycolytic  activity  &  poor 
survival under conditions of ischemia.  


background image

 

5

 

 The  steps  of  glycolysis  ((Embden-Meyerhof  pathway))  are  the 
followings: 
Reaction 1: Phosphate Ester Synthesis 
  In  all  body  tissues  except  the  liver,  brain  &  pancreatic  β  islet 
cells,  the  transport  of  glucose  into  the  cell  is  regulated  by 
insulin.  
  Following  entry  of  glucose into the cells , phosphate is added 
to the glucose present in the cytoplasm at the C-6 position using 
ATP as the phosphate donor in the presence of magnesium ion, 
this  reaction  is  irreversible  inhibited by its product ((glucose 6-
phosphate))  &  it's  catalyzed  by  the  enzymes  hexokinase  or 
glucokinase

 

     

                         

     

   

             

 

       

Glucose + ATP

         

Mg

++

   

Glucose 6-P+ADP

 

                                     Hexokinase

 

                                 Glucokinase

 

   

  Hexokinase has a high affinity for its substrate (glucose) & its 
even  act  at  lower  speed  on  other  hexoses,  in  the  liver  & 
pancreatic β islet cells hexokinase is saturated under all normal 
conditions,  therefore,  both  the  liver  &  pancreatic  β  islet  cells 
also  contain  an  isoenzyme  of  hexokinase  called  glucokinase, 
which has lower affinity for its substrate (specific on glucose) so 
it acts at a higher glucose concentration. 
  The  function  of  glucokinase  in  the  liver  is  to  remove  glucose 
from the blood following a meal, providing glucose 6-phosphate 
in excess of requirements for glycolysis, which will be used for 
glycogen synthesis and lipogenesis. 
  In  the  pancreas,  the  glucose

 

6-phosphate  formed  by 

glucokinase signals increased glucose availability & leads to the 
secretion of insulin. 


background image

 

6

 

Glucose 6-phosphate is an important compound at the junction 

of several metabolic pathways (glycolysis, gluconeogenesis, 

pentose phosphate pathway, glycogenesis & glycogenolysis).

 

Reaction 2: Isomerization 
The glucose-6-phosphate is changed into an isomer, fructose-6-
phosphate. This means that the number of atoms is unchanged, 
but their positions have changed (aldose to ketose conversion) 
.This reversible reaction is catalyzed by phosphohexose 
isomerase (phosphoglucoisomerase) 
enzyme
 

                                                

 

Glucose-6-P       Phosphohexose   Fructose-6-p 
                              Isomerase          
 
 

Reaction 3: Phosphate Ester Synthesis 
This reaction is virtually identical to reaction 1. The fructose-6-
phosphate is reacted with phosphate from ATP to make 
fructose-1, 6 -bisphosphate again this reaction using ATP as the 
phosphate donor in the presence of magnesium ion. 

 

This reaction is irreversible, catalyzed by phosphofructokinase 
enzyme & it has a major role in regulating the rate of glycolysis. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

7

 

 
 

 

 Fructose-6-P + ATP  
 
 
     Mg

++           

Phosphofructokinase

 

                            

     

 

Fructose-1, 6-bisphosphate + ADP 

 
 
 
Reaction 4: Split Molecule in half
 
The six carbon fructose-1, 6-bisphosphate is split into two 
trioses phosphate carbon compounds which are 
dihydroxyacetone-phosphate & glyceraldehyde 3-phosphate 
.The slit is made between the C-3 and C-4 of the fructose. This 
reversible reaction is catalyzed by Aldolase enzyme. 

The dihydroxyacetone phosphate & glyceraldehyde-3-phosphate 

are interconverted by the enzyme phosphotriose

 

isomerase.


background image

 

8

 

 

Fructose-1, 6-bisphosphate 

 

             Aldolase 

 
 

                          

 

Dihydroxyacetone-                   Glyceraldehyde 
phosphate                                    3-phosphate 
                       Phosphotriose 
                           Isomerase  

 
Reaction 5: Oxidation/Phosphate Ester Synthesis
 
 This reversible reaction is first an oxidation involving the 
coenzyme NAD

+

.  Glyceraldehyde 3-phosphate is oxidized to an 

acid as an intermediate through the conversion of NAD

+

 to 

NADH + H

+

. Then an inorganic phosphate (Pi) is added in a 

phosphate ester synthesis to form 1, 3-bisphosphoglycerate. 
This and all the remaining reactions occur twice for each 
glucose-6-phosphate (six carbons), since there are now two 
molecules of 3-carbons each. 


background image

 

9

 

This reaction is catalyzed by glyceraldehyde-3-phosphate 
dehydrogenase enzyme which is a tetramer (consist of four 
monomers) containing SH-groups , therefore , this 
dehydrogenase enzyme may be inactivated by SH poison 
iodoacetate which stop glycolysis at this point , therefore , 
iodoacetate used as a preservative of blood sample to prevent in 
vitro glycolysis . 

 

 

           Glyceraldehyde 3-phosphate +NAD

         Pi                           Glyceraldehyde-3-          

phosphate dehydrogenase 

 
 

                

 

        1, 3-bisphosphoglycerate+ NADH + H

 

Reaction 6: Hydrolysis of Phosphate; Synthesis of ATP 
   One of the phosphate groups of 1, 3-bisphosphoglycerate 
undergoes hydrolysis to form 3-phosphoglycerate and a 
phosphate ion is transferred directly to an ADP to make ATP, 
therefore, at this stage two molecules of ATP are produced / 
molecule of glucose undergo glycolysis, this reversible reaction 
is catalyzed by Phosphoglycerate kinase enzyme in the 
presence of magnesium ion. 

 

          


background image

 

10

 

             
 

    

 

1, 3-bisphosphoglycerate + ADP 
 
 
                  Mg

++

        Phosphoglycerate  kinase  

       

                 

           

                  3-phosphoglycerate + ATP 
 

  The toxicity of arsenic is due to competition of arsenate with inorganic 
phosphate in the above reactions to give l-arseno-3-phosphoglycerate, 
which hydrolyzes spontaneously to give 3-phosphoglycerate + heat, 
without generating ATP.

 

Reaction 7: Isomerization 
In this reaction the phosphate group moves from the 3 position of 3-
phosphoglycerate to the 2 position in an isomerization reaction 
producing 2-phosphoglycerate. 
This reversible reaction is catalyzed by Phosphoglycerate mutase 
enzyme. 
 

 


background image

 

11

 

 

3-phosphoglycerate            

 
                            Phosphoglycerate mutase. 
 

 

 2-phosphoglycerate 

 
 

Reaction 8: Alcohol Dehydration (Enolation) 
In this reversible reaction,  dehydration of 2-phosphoglycerate 
forming phosphoenolpyruvate, this reaction is catalyzed by 
Enolase enzyme which is dependent on the presence of either 
Mg

++

 or Mn

++ 

ions

 

& inhibited by fluoride which is used as a 

preservative of blood sample to prevent in vitro glycolysis in the 
estimation of glucose. 

 
 
 


background image

 

12

 

                        

     

                            

Mg

++

/ Mn

++

 

2-phosphoglycerate                Phosphoenolpyruvate 

                               Enolase         

+ H

2

 

 
Reaction 9: Phosphate Ester Hydrolysis, Synthesis of ATP 
this is the final reaction in glycolysis.  phosphate group of 
phosphoenolpyruvate is transferred to ADP forming ATP while  
Phosphoenolpyruvate is converted into enolpyruvate which 
undergoes spontaneous (nonenzymic) isomerization to pyruvate 
,therefore , at this stage two molecules of ATP are produced  / 
molecule of glucose undergo glycolysis. 
This irreversible reaction is catalyzed by pyruvate kinase 
enzyme in the presence of magnesium. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

13

 

 

       Phosphoenolpyruvate + ADP 

 

             Mg

++    

 Pyruvate kinase 

 
 

 

         Pyruvate + ATP 

 
Fate of pyruvate depending on availability of aerobic or 
anaerobic conditions: 
1-Aerobic condition: pyruvate is transported from the cytoplasm 
to the mitochondria via special pyruvate transporter & within 
the mitochondria it's oxidatively decarboxylated into acetyl Co-
A (active acetate) by several different enzymes working 
sequentially in a multienzyme complex called collectively as 
pyruvate dehydrogenase complex system.  

 

Pyruvate + NAD

+

 + CoA-SH 

 
                     Pyruvate dehydrogenase complex  
 

Acetyl CoA+NADH+H

+

+CO

 


background image

 

14

 

 The presence of arsenate or deficiency of thiamin inhibit  
pyruvate dehydrogenase allowing pyruvate to accumulate , also 
it is inhibited by the product (Acetyl CoA) , therefore , any 
source that give rise to acetyl Co-A can inhibit pyruvate 
dehydrogenase system as amino acids & fatty acids. 
Acetyl Co-A enter citric acid cycle for further energy 
production. 
2-Anaerobic condition : pyruvate is reduced to lactate by 
NADH

+

2  

produced in reaction( 5) of glycolysis, this reversible 

reaction catalyzed by lactate dehydrogenase enzyme with 
production of NAD

allowing glycolysis to proceed in anaerobic 

conditions by regenerating sufficient NAD

+

 for reaction( 5) to 

continue. 

 

  

                                  

 

Pyruvate+NADH+H

+   

lactate

  

    Lactate+NAD

+                 

             

   

dehydrogenase 

 
 
Therefore, tissues that can function under hypoxic condition can 
produce  lactate  as  in  skeletal  muscle  &  RBC  (even  under 
aerobic condition because it has no mitochondria). 

 

Conclusion 

1-Glycolysis is represented simply as:  
glucose + 2 NAD

+

 + 2 ADP + 2 P         2 pyruvate + 2 ATP + 2 

NADH + 2 H

+

 

2-Glucose with six carbons is converted into two pyruvate 
molecules with three carbons each. The ATP produced is as 
follow:- 


background image

 

15

 

A-Anaerobic  conditions:-2  ATP  are  produced  (2ATP  produced 
at  reaction  6  +  2  ATP  at  reaction  9  -  2ATP  consumed  at 
reactions 1 &3). 
B-Aerobic conditions:- 
    2 ATP are produced as in anaerobic conditions. 

+

 5 ATP are produced from entrance of two NADH

2

molecules                                                         

+

    produced  at  reaction  5  to  respiratory  chain  (each  NADH

2

            

++

molecule produce 2.5 ATP molecules) 

+5  ATP  molecules  generated  by  entrance  of  two  NADH

2

molecules  (produced  from  conversion  of  two  molecules  of 
pyruvate  into  two  molecules  of  acetyl-CoA  /  one  molecule  of 
glucose) to respiratory chain. 
+ 20 ATP are produced from the citric acid cycle. 
Therefore  the  total  ATP  molecules  that  produced  at  aerobic 
conditions are 2+5+5+20= 32 ATP molecules. 
3-Three  reactions  ((1,  3,  and  9))  are  irreversible  regulating 
glycolysis while the rest of reactions are reversible. 
4-Glycolysis  reaction  can  be  blocked  at  reaction  5  by 
iodoacetate & at reaction 8 by fluoride, therefore, iodoacetate & 
fluoride  are  used  as  preservative  of  blood  sample  for  glucose 
estimation. 
 


background image

 

16

 

 

 

Clinical Aspects 

1-Inhibition  of  Pyruvate  Metabolism  Leads  to  Lactic  Acidosis, 
the main causes of this inhibition are:-  
A-Arsenite inhibit pyruvate dehydrogenase complex. 
B-Thiamin is a coenzyme for pyruvate dehydrogenase, therefore, 
its deficiency lead to lactic acidosis..  


background image

 

17

 

C-Inherited  pyruvate  dehydrogenase  deficiency  presented  with 
lactic acidosis, particularly after a glucose load. 
 Because  of  its  dependence  on  glucose  as  a  fuel.  ,  brain  is  a 
prominent  tissue  where  these  metabolic  defects  manifest 
themselves in neurological disturbances. 
2-  Inherited  aldolase  deficiency  &  pyruvate  kinase  deficiency  in 
erythrocytes cause hemolytic anemia.   
3- 

The 

exercise 

capacity 

of 

patients 

with 

muscle 

phosphofructokinase  deficiency  is  low,  particularly  on  high-
carbohydrate diets. 
4-  Competition  of  arsenate  with  inorganic  phosphate  to  give  l-
arseno-3-phosphoglycerate, which hydrolyzes spontaneously to give 
3-phosphoglycerate + heat, without generating ATP.

 

 

 
 
 

 

 
 
 
 
 
  
 
  
 

 

 


background image

 

18

 

Citric Acid Cycle {Krebs cycle , Tricarboxylic Acid Cycle } 

It  is  a  series  of  reactions  discovered  by  Hans  Krebs  in  1937 
occur in the mitochondria that oxidize acetyl-CoA to CO

+H

2

in  addition  to  the  production  of    reducing  equivalents  (NADH

2

 

and FADH

2

) that upon reoxidation in the respiratory chain ATP 

are formed. 
Its dependant on oxygen availability, therefore, absence (anoxia) 
or  deficiency  (hypoxia)  of  oxygen  leads  to  total  or  partial 
inhibition of the cycle respectively. 
 

Overview of Acetyl Co- A Metabolism 

1-Acetyl  Co-A  is  at  the  confluence  of  the  major  metabolic 
pathways of carbohydrate, lipid & protein. 
2-Acetyl  Co-A  serves  as  source  of  acetyl  units  in  the  anabolic 
processes  responsible  for  synthesis  of  long  chain  fatty  acids, 
cholesterol, steroid & ketone bodies. 
3-Catabolism of acetyl Co-A in the citric acid cycle. 

 

Importance of Citric Acid Cycle 

1-Final  common  pathway  for  the  aerobic  oxidation  of 
carbohydrate,  lipid  &  protein  because  glucose,  fatty  acids  & 
most amino acids are metabolized to acetyl-CoA or intermediates 
of the cycle.  
2-Central role in gluconeogenesis,  lipogenesis & interconversion 
of amino acids.  
3-Liberation  of  much  free  energy  from  oxidation  of 
carbohydrate, lipid & protein. 
4-Formation of reducing equivalents which enter the respiratory 
chain for energy production. 

 

Reactions of Citric Acid Cycle 

Reaction 1: Synthesis of Citrate 
Condensation  of  acetyl  Co-A  &  oxaloacetate  to  form  citrate  & 
release  of  CoA-SH,  this  irreversible  reaction  is  catalyzed  by 
citrate synthase enzyme.   

 


background image

 

19

 

 

      

 

Acetyl Co-A + Oxaloacetate + H

2

                                 
   Citrate synthase    
 

 

                   Citrate  +  CoA-SH 

 

 

Reaction 2: Dehydration & Rehydration 
 
Citrate is isomerized to isocitrate by the enzyme aconitase 
((aconitate hydratase)) in the presence of iron in the Fe

++

 state. 

This reversible reaction takes place in two steps : 
Step 1/dehydration of citrate to cis-aconitate (intermediate) 
which is enzyme bound. 
Step 2 /rehydration of cis-aconitate to isocitrate. 
The poison fluoroacetate is toxic because fluoroacetyl-CoA 
condenses with oxaloacetate to form fluorocitrate, which inhibits 
aconitase, causing citrate to accumulate.

 

 
 

            
 
 


background image

 

20

 

 

 

                           

           Citrate            
                          H

2

    Aconitase      Fe

++

                        

 

 

       

 

      Cis-aconitate 
 H

2

   Aconitase   Fe

++

 

    

 

 

         Isocitrate 

 
 
Reaction 3: Dehydrogenation & Decarboxylation 
 Isocitrate in the presence of NAD

+

 is converted to 

 α-ketoglutarate 

.

Although this reaction is reversible its directed 

more toward the production of α-ketoglutarate & is catalyzed by 
the enzyme isocitrate dehydrogenase & it occurs in two steps: 


background image

 

21

 

Step 1/dehydrogenation of isocitrate in the presence of NAD

+

  to 

oxalosuccinate ((intermediate& enzyme bound)) +NADH+H

+

 

Step2/decarboxylation of oxalosuccinate to α-ketoglutarate + 
+CO

2,

 Mn

++ 

or Mg

++ 

is an important component of the 

decarboxylation reaction. 
 

 

            Isocitrate + NAD

+

 

                                  
                                Isocitrate Dehydrogenase 
 

 

                   Oxalosuccinate +NADH +H

+

 

 

                                                                                                                    

An

            Isocitrate     Mn

++ /

Mg

++

 

         Dehydrogenase 

 

              α-ketoglutarate +CO

 

 
 


background image

 

22

 

Reaction 4:Oxidation&Decarboxylation (Oxidative decarboxylation) 

α-ketoglutarate undergoes oxidative decarboxylation (similar to 
conversion of pyruvate into acetyl Co-A) .This irreversible 
reaction is catalyzed by α-ketoglutarate dehydrogenase 
complex
 which require also identical cofactors to that of 
pyruvate dehydrogenase as thiamin diphosphate& is inhibited 
by arsenate causing accumulation of α-ketoglutarate.  
  In this reaction α-ketoglutarate in the presence of NAD

 CoA-SH  result in the formation of succinyl -CoA (contain high 
energy bond) +NADH + H

+ CO

2

  

          

 

α-ketoglutarate + NAD

+ CoA-SH 

                                    α-ketoglutarate 
                                    dehydrogenase complex 
 

       

  

      Succinyl –CoA + CO

 + NADH + H

 

Reaction 5: Hydrolysis of Succinyl-CoA, Synthesis of ATP 
 Succinyl-CoA in the presence of ADP & inorganic phosphate 
(Pi) is converted into succinate +ATP + CoA-SH.

 

This is the only reaction in the citric acid cycle include the 
generation of  ATP at substrate-level. 
 This reversible reaction is catalyzed by succinate thiokinase 
enzyme in the presence of Mg

++

.    

Succinate thiokinase also share in gluconeogenesis 


background image

 

23

 

 

   Succinyl-CoA + Pi + ADP 
 
Mg

++

    Succinate thiokinase 

 

 

Succinate + ATP +CoA-SH 

 
 
Reaction 6: Dehydrogenation 
Dehydrogenation of succinate into fumarate by transfer of 
hydrogen directly from substrate into a flavoprotein it is the only 
dehydrogenation reaction in the cycle involving direct transfer 
of hydrogen from substrate into a flavoprotein, without 
participation of NAD, this reversible reaction is catalyzed by 
succinate dehydrogenase enzyme which is inhibited by 
malonate resulting in succinate accumulation. 
 

                           

 

Succinate+FAD                    Fumarate+FADH

2

  

                           Succinate  
                       dehydrogenase 

 

 

 


background image

 

24

 

Reaction 7: Hydration 
Hydration of the double bond of fumarate to form L-Malate. 
This reversible reaction is catalyzed by fumarase (fumarate 
hydratase) 
enzyme
                       

 

                   

                             

    Fumarate   +  H

2

O                           L-Malate 

                                        Fumarase

 

 
Reaction 8: Dehydrogenation 
This is the final reaction of the citric acid cycle where 
dehydrogenation of malate in the presence of NAD

+

 into 

oxaloacetate + NADH + H

.This reversible reaction is catalyzed 

by the enzyme Malate dehydrogenase
 The oxaloacetate produced in this reaction condense with 
acetyl-CoA (Reaction 1: Synthesis of Citrate) & so the cycle 
continue again. 

  

             

  

L-Malate +NAD

 

        Malate dehydrogenase

 

 

 

                     Oxaloacetate + NADH + H

+

 


background image

 

25

 

Energetic of Citric Acid Cycle 

Reaction 3-produce oneNADH

2

molecule which

 

enter the 

respiratory chain producing 2.5 ATP molecules . 
Reaction 4- produce oneNADH

2

molecule which

 

enter the 

respiratory chain producing 2.5 ATP molecules . 
Reaction 5-produce 1 ATP molecule. 
Reaction 6-produce one FADH

2

+

 molecule which

 

enter the 

respiratory chain producing 1.5 ATP molecules. 
Reaction 8- produce oneNADH

2

molecule which

 

enter the 

respiratory chain producing 2.5 ATP molecules. 
Therefore , 10 ATP molecules are produced for each cycle 
from one molecule of acetyl-CoA. 
Energy produced of one molecule of glucose under aerobic 
conditions when enter citric acid cycle is as follow: 
7 ATP molecules up to pyruvate synthesis. 
+5 ATP molecules generated by two NADH

2

molecules 

produced from conversion of two molecules of pyruvate into 
two molecules of acetyl-CoA / one molecule of glucose  
+20 ATP molecules from entrance of two molecules of acetyl-
CoA / one molecule of glucose to citric acid cycle. 
Therefore , 32 ATP molecules are produced. 

 

Regulation of Citric Acid Cycle 

1-Proper function of respiratory chain which depend mainly on 
the availability of oxygen , ADP & NAD

+

2-Regulatory reactions ((irreversible or nearly irreversible)) in 
the cycle which are:  
 Reaction 1: Synthesis of Citrate. 
 Reaction 3: Dehydrogenation & Decarboxylation. 
 Reaction 4:Oxidation&Decarboxylation (Oxidative decarboxylation). 
 
 
 


background image

 

26

 

 

Role of Vitamins in Citric Acid Cycle 

     Vitamins play a key role in the citric acid cycle. 
 (1) Riboflavin, in the form of flavin adenine dinucleotide (FAD) 
in reaction 6 (Dehydrogenation). 
 (2) Niacin, in the form of nicotinamide adenine dinucleotide 
(NAD) in three dehydrogenation reactions in the cycle (Reactions 
3, 4&8). 
 (3) Thiamin,

 

as thiamin diphosphate, the coenzyme for 

 α-ketoglutarate dehydrogenase reaction. 
 (4) Pantothenic acid, as part of coenzyme A. 


background image

 

27

 

Clinical Aspects 

The few genetic defects of citric acid cycle enzymes that have 
been reported are associated with severe neurological damage as 
a result of very considerably impaired ATP formation in the 
central nervous system. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

28

 

G

G

l

l

y

y

c

c

o

o

g

g

e

e

n

n

 

 

m

m

e

e

t

t

a

a

b

b

o

o

l

l

i

i

s

s

m

m

 

 

Glycogen is the major carbohydrate storage in animals including 
human, it present mainly in: 
1-liver: glycogen represent up to 5% of liver weight, its concern 
with maintenance of blood glucose level between the meals. 
After 12-18 hours of fasting the liver glycogen is almost totally 
depleted. 
2-Muscle: glycogen represent up to 0.7% of muscle weight but 
because of great muscle mass its about 3-4 times to that of liver , 
its concern as a source of glucose for glycolysis within the 
muscle itself.  
 Metabolisms of glycogen include synthesis (glycogenesis) & 
degradation (glycogenolysis); these two processes are not 
simply the reversal of one series of reactions but they are 
separated reactions. 

Glycogenesis 

Glycogenesis is the process of glycogen synthesis, in which 
glucose molecules are added to chains of glycogen.  
Glycogen synthesis depends on the demand for glucose and 
ATP (energy). If both are present in relatively high amounts, 
then the excess of insulin promotes the glucose conversion into 
glycogen for storage in liver and muscle cells. 

 

Reaction 1 
Glucose is phosphorylated to glucose 6-phosphate in irreversible 
reaction catalyzed by hexokinase in muscle & glucokinase in 
liver in the presence of magnesium ion.  
    

Mg

++

 

Glucose+ATP  Hexokinase Glucose 6-P+ADP 
                        Glucokinase 

 

 

 
 


background image

 

29

 

Reaction 2 
Glucose 6-phosphate is isomerized to glucose 1-phosphate in a 
reversible reaction catalyzed by phosphoglucomutase enzyme 
in the presence of magnesium ion. 

 

Mg

++ 

Glucose6-p                                      Glucose1-p         

phosphoglucomutase 

 
Reaction 3 
Glucose 1-phosphate reacts with uridine triphosphate (UTP) to 
form the active nucleotide uridine diphosphate glucose 
(UDPGlc) & inorganic pyrophosphate (PPi); this reaction is 
catalyzed by UDPGlc Pyrophosphorylase enzyme. 

                                   
                                   UDPGlc  
UTP+Glucose1-p                         UDPGlc+PPi 
                            Pyrophosphorylase 

 
Although this reaction is reversible but subsequent hydrolysis of 
PPi pull the reaction to right. 
Reaction 4 
Glycogen synthase
 catalyzes the formation of a glucosidic bond 
between C

1

 of the activated glucose of UDPGlc and C

4

 of a 

terminal glucose residue of glycogen primer producing 1         4 
Glucosyl units with liberation of uridine diphosphate (UDP).  
Therefore the preexisting glycogen primer must be present to 
initiate this reaction. This glycogen primer may in turn be 
formed on a primer known as glycogenin, which is a protein that 
is glycosylated on a specific tyrosine residue by UDPGlc.  
This reaction is irreversible. 

 
 


background image

 

30

 

UDPGlc +Glycogenin

 

 

                                     
                   Glycogen primer 
 
 

Glycogen synthetase

  

     

+ 

UDPGlc

 

UDP 

+

 1         4 Glucosyl units 

 

 

Reaction 5 
In reaction 4 the branches of the glycogen (tree) become 
elongated as successive 1, 4 linkages occur & when the chain 
has been lengthened to at least11 glucose residue a second 
enzyme called branching enzyme transfer a part of 1,4-chain 
(minimum 6 glucose residues) to a neighboring chain to form 
1,6 -linkage thus establishing a branch point in the molecule 
then the branches grow by further addition of 1         4 glucosyl 
units producing glycogen.  
This reaction is irreversible. 
 

                  1         4 Glucosyl units

 

  

Branching enzyme 

 

       
     1          4 &1         6 Glucosyl units

 

((Glycogen)) 

 
 


background image

 

31

 

 

 

The rate limiting reaction of glycogenesis is that reaction 
catalyzed by glycogen synthase enzyme. 
The incorporation of 1 mol of glucose into glycogen requires 
two high energy phosphates (ATP in reaction 1 & UTP in 
reaction 3).


background image

Glycogenolysis 

 Reaction 1 
Glycogenolysis is initiated by the reaction catalyzed by 
glycogen phosphorylase enzyme which cause phosphoroylytic 
cleavage of 1,4 link of glycogen  until approximately 4 glucose 
residues remain on either side of 1,6-branch where another 
enzyme called (α-[1      4]       α-[1     4] glucan transferase)   
transfers a trisaccharide unit from one branch to the other, 
exposing the 1     6 branch point. Hydrolysis of the 1      6 
linkages requires the debranching enzyme. Further 
phosphorylase action can then proceed. 
The rate limiting reaction in glycolysis is that catalyzed by 
phosphorylase enzyme. 
Therefore, the combined action of irreversible reactions 
catalyzed by these three enzymes convert glycogen to glucose 1-
phosphate. 

 

 
 


background image

 

33

 

Reaction 2 
Glucose 1-phosphate is converted to glucose 6-phosphate by 
reversible reaction catalyzed by phosphoglucomutase enzyme 
in the presence of magnesium ion. 

Mg

++ 

Glucose1-p                                     Glucose6-p             

phosphoglucomutase 

 
Reaction 3 
This irreversible reaction occurs only in the liver & kidney (not 
in muscle) to remove phosphate from glucose 6-phosphate 
enabling glucose to diffuse from the cell to blood, this reaction 
is catalyzed by glucose 6-phosphatase enzyme. 

                     
                     Glucose 6-phosphatase 
Glucose6-p+H

2

O                           Glucose + Pi

  

 
 

 

Regulation of Glycogen Metabolism 

 

Glycogenesis 

Glycogenesis is controlled by glycogen synthetase enzyme, 
there are two forms of glycogen synthetase which are: 
 1- Synthetase-a:-Unphosphorylated & most active form.  
 2- Synthetase-bPhosphorylated & inactive. 
Synthetase-a is converted to synthetase-b (inactivation) by a 
phosphorylation reaction catalyzed by protein kinase enzyme 
while conversion of synthetase-b to synthetase-a (activation) by   
dephosphorylation reaction catalyzed by protein phosphatase 
enzyme which is under the positive control of glucose-6-
phosphate & negative control of cAMP.  
Two forms of the protein kinases are present which are:- 
A-Ca

++

 dependent protein kinase: Stimulated by calcium.  

B-cAMP-dependent protein kinase: Stimulated by cAMP. 
  


background image

 

34

 

 

Glycogenolysis 

Glycogenolysis is controlled by glycogen phosphorylase 
enzyme there are two forms of glycogen phosphorylase which 
are:- 
1-Phosphorylase-a: Phosphorylated & active , inhibited by 
glucose 6-phosphate. 
2-phosphorylase-b: Unphosphorylated & inactive. 
Conversion from a to b forms (inactivation) require 
dephosphorylation reaction catalyzed by protein phosphatase 
enzyme while conversion of b to a forms (activation) require 
phosphorylation reaction catalyzed by phosphorylase kinase 
enzyme. 
Two forms of phosphorylase kinases are present which are:- 
A-cAMP-dependent phosphorylase kinase: Stimulated by 
cAMP. 
B-Ca-dependant phosphorylase kinase: Stimulated by calcium. 
 In muscle glycogen phosphorylase enzyme is immunologically 
distinct form & it’s more sensitive to c-AMP. 
Therefore; cAMP which is stimulated by certain hormones(( as 
epinephrine in muscle & glucagon in liver)) inhibit glycogenesis 


background image

 

35

 

synchronously with the activation of glycogenolysis through the 
following mechanism:- 
I)-cAMP inhibits glycogenesis by:- 
1-Inhibition of protein phosphatase enzyme. 
2-Stimulation of cAMP-dependent protein kinase enzyme. 
II)-cAMP stimulates glycogenolysis by:- 
1-Inhibition of protein phosphatase enzyme. 
2-Stimulation of cAMP-dependent phosphorylase kinase enzyme. 
Calcium ion which may follow muscle contraction inhibit 
glycogenesis synchronously with the activation of glycogenolysis 
through the following mechanism:- 
I)-Stimulate glycogenolysis through the activation of Ca-
dependant phosphorylase kinase. 
II)- Inhibit glycogenesis through the activation of  Ca dependent 
protein kinase. 
 Insulin inhibit glycogenolysis synchronously with the activation 
of  glycogenesis through the following mechanism:- 
 Insulin increasing cellular glucose uptake leads to elevation of 
glucose 6-phosphate which inhibit the activity of phosphorylase 
a enzyme in glycogenolysis together with stimulation protein 
phosphatase enzyme in glycogenesis . 

 

 
 


background image

 

36

 

Conclusion 
Inhibition of glycogenolysis enhances net glycogenesis & vice 
versa inhibition of glycogenesis enhances net glycogenolysis. This 
occurs by many factors as cAMP , calcium ion & insulin. 
 

Glycogen Storage Diseases((Glycogenosis))  

The term ((Glycogen Storage Disease)) is a generic term that   
describe a group of inherited disorders (Types) characterized by 
deposition of abnormal type or quantity of glycogen due to 
partial or complete absence of certain enzymes.  
Since glycogen molecules can become enormously large, an 
inability to degrade glycogen can cause cells to become 
pathologically engorged; it can also lead to the functional loss of 
glycogen as a source of cell energy and as a blood glucose 
buffer. 
The following table summarizes the types of glycogen storage 
diseases. 


background image

 

37

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

38

 

Hexose monophosphate shunt {phosphogluconate 

oxidative pathway, pentose phosphate pathway

 
The pentose phosphate pathway is an alternative route for the 
metabolism of glucose. It does not generate ATP but has two 
major functions:  
(1) Formation of NADPH for reduction processes & for synthesis 
of fatty acids & steroids.  
(2) Synthesis of ribose 5-phosphate for nucleotide & nucleic acid 
formation.  
 
Reactions of Pentose Phosphate Pathway  
The reactions of the pathway occur in the cytoplasm. 
The sequences of reactions are divided into two phases:- 
1-Oxidative nonreversible phase.  
2-Nonoxidative reversible phase. 
 

 

Oxidative Nonreversible Phase 

Oxidation (dehydrogenation) of glucose 6-phosphate into ribulose 
5-phosphate is achieved through the following steps:- 
Step 1 
 Dehydrogenation (oxidation) of glucose 6-phosphate into  
6-phosphogluconate occurs via the formation of  
6-phosphogluconolactone.  
-Dehydrogenation (oxidation) of glucose 6-phosphate into 6-
phosphogluconolactone is catalyzed by glucose-6-phosphate 
dehydrogenase 
enzyme in the presence of NADP

+

 which is 

converted into NADPH + H

+

The hydration of 6-phosphogluconolactone into 6-phosphogluconate 
is accomplished by the enzyme gluconolactone hydrolase. 
Both reactions of this step require cofactors which are calcium or 
magnesium ions.   

 


background image

 

39

 

Step 2 
 
Dehydrogenation (oxidation) with decarboxylation of  
6- Phosphogluconate into a ketopentose known as ribulose 5-
phosphate. 
This reaction is catalyzed by the enzyme 6-phosphogluconate 
dehydrogenase
 in the presence of NADP

+

 which is converted 

into NADPH + H

+

This reaction requires cofactors which are calcium or magnesium 
ions.   

 

 

Nonoxidative Reversible Phase 

All reactions of this phase are reversible except that reaction 
catalyzed by fructose 1, 6-bisphosphatase enzyme which is 
irreversible. By this phase ribulose 5-phosphate is end in the 
formation of glucose 6-phosphate through the following steps. 
Step 1 
Ribulose 5-phosphate is the substrate for two enzymes which are: 
- A-Ribulose 5-phosphate 3-epimerase alters the configuration 
about carbon 3, forming another ketopentose known as 
 Xylulose 5-phosphate.  
B-Ribose 5-phosphate ketoisomerase converts ribulose 5-
phosphate which is a ketopentose to the corresponding 


background image

 

40

 

aldopentose known as  ribose 5-phosphate, which is the precursor 
of the ribose required for nucleotide & nucleic acid synthesis. 
 

 

 
Step 2  
 Transketolase
 enzyme catalyze the conversion of a ketose sugar 
into an aldose with two carbons less & simultaneously converts an 
aldose sugar into a ketose with two carbons more.  
The reaction requires Mg

2+

 & thiamin diphosphate (vitamin B

1

as coenzyme. 
Therefore, transketolase catalyzes the transfer of the two-carbon 
unit from the five-carbon ketose (xylulose 5-phosphate) to the five-
carbon aldose (ribose 5-phosphate), producing the seven-carbon 
ketose (sedoheptulose 7-phosphate) & the three-carbon aldose 
(glyceraldehyde 3-phosphate). 

 

 
Step 3  
Transaldolase
 allows the transfer of three-carbons (carbons1-3) 
from the ketose (sedoheptulose 7-phosphate) onto the aldose 
(glyceraldehyde 3-phosphate) to form the six-carbon ketose 
(fructose 6-phosphate) & the four-carbon aldose (erythrose 4-
phosphate). 


background image

 

41

 

 

 
Step 4 
Transketolase
 catalyze reaction that involve xylulose 5-
phosphate to donates a two-carbon unit to erythrose 4-phosphate 
to form glyceraldehyde 3-phosphate & fructose 6-phosphate. 
The reaction requires Mg

2+

 & thiamin diphosphate (vitamin B

1

as coenzyme. 
 

 

 
Step 5 

.

In order to oxidize glucose completely, there must be:- 

A- Conversion of two molecules of glyceraldehyde 3-phosphate 
into one molecule of glucose 6-phosphate .This involves reversal 
of glycolysis in addition to the enzyme known as fructose 1, 6-
bisphosphatase
.  
In tissues that lack fructose 1, 6-bisphosphatase, glyceraldehyde 
3-phosphate follows the normal pathway of glycolysis to pyruvate. 


background image

 

42

 

 

 
B-Conversion of fructose 6-phosphate to glucose 6-phosphate by 
phosphohexose isomerase
  Therefore,  the  net  result  of  pentose  phosphate  pathway  is  that 
three  molecules  of  glucose  6-phosphate  give  rise  to  three 
molecules of CO

2

 , two molecules of glucose 6-phosphate & one 

molecule of glyceraldehyde 3-phosphate. Since two molecules of 
glyceraldehyde  3-phosphate  can  regenerate  glucose  6-phosphate, 
the pathway can account for the complete oxidation of glucose.  
 The  rate  limiting  step  of  pentose  phosphate  pathway  is  mainly 
controlled by glucose-6-phosphate dehydrogenase enzyme.   


background image

 

43

 

 

 
Although glucose 6-phosphate is common to both pentose 
phosphate pathway & glycolysis, the pentose phosphate pathway 
is markedly different from glycolysis by:-  
1-Oxidation utilizes NADP rather than NAD.  
2-CO

2

, which is not produced in glycolysis, is a characteristic 

product of pentose phosphate pathway.  
3- No ATP is generated in the pentose phosphate pathway, 
whereas ATP is a major product of glycolysis. 


background image

 

44

 

 

 
 
 

 


background image

 

45

 

Reductive function of NADPH 

  The main reductive function of NADPH is found in 
erythrocytes, in which NADPH +H

share in the reduction of 

oxidized glutathione in a reaction catalyzed by glutathione 
reductase 
enzyme. 
 The reduced glutathione remove H

2

O

2

 in a reaction catalyzed by 

glutathione peroxidase enzyme to be converted back into 
oxidized formThis reaction is important, since  H

2

O

2

  decrease 

the life span of the erythrocyte by causing oxidative damage to 
the cell leading to hemolysis. 

 

 

Clinical Aspect of Pentose Phosphate Pathway 

 Glucose-6-Phosphate Dehydrogenase Deficiency ((G6PD  
Deficiency)) or Favism 
:- It’s the main clinical aspect of pentose 
phosphate pathway in which there is a genetic deficiency of 
glucose-6-phosphate dehydrogenase enzyme with consequent 
impairment of the generation of NADPH + H

+

 ,this disease is 

common in populations of Mediterranean & Afro-Caribbean 
origin.  
 The defect is manifested as red cell hemolysis (hemolytic anemia) 
when susceptible individuals are subjected to oxidants that 
contains H

2

O

2   

because glutathione peroxidase which remove 

H

2

O

2

 is dependent upon a supply of NADPH, which in 

erythrocytes can be formed only via the pentose phosphate 
pathway. 
 These oxidants that contains H

2

O

2  

include mainly drugs as 

primaquine, aspirin, sulfonamides or when they have eaten fava 
beans[hence the term favism].  


background image

 

46

 

Uronic Acid Pathway 

Uronic acid pathway is an alternative pathway for glucose 
metabolism, but like the pentose pathway it does not lead to the 
generation of ATP. 
Uronic acid pathway catalyzes the conversion of glucose into 
glucuronic acid, pentoses& in animal ascorbic acid.  
-
Glucuronic acid (glucuronate) is important in: 
 A-Incorporated into proteoglycans. 
 B- Steroid hormones, bilirubin & number of drugs are conjugated 
with glucuronate to be excreted in urine or bile. 
-Pentoses produced from uronic acid pathway mainly xylulose 5-       
phosphate which enter the pentose phosphate pathway. 
-Vitamin C is produced in animal from uronic acid pathway while 
in human & other primates can not synthesized due to lack of 
certain enzyme involved in this synthesis. 

 

Metabolism of other hexoses 

They include mainly fructose & galactose metabolism. 

 

Fructose Metabolism 

Fructose enters the liver from the small intestine through the 
hepatic portal vein. 
Inside the body ((mainly in the liver)) fructose is converted 
mainly into glucose or to a less extent into the intermediates of 
glycolysis & in minor amounts is converted into fatty acids 
((increase in excess fructose intake)), this process occurs 
through the following pathways:-  
Major pathway: - It’s the main pathway for fructose 
metabolism, it occurs in the liver & to less extent in the kidney 
&intestine through the following steps:- 
(1)- Pathway is initiated by a specific kinase enzyme present in 
the liver & to less extent in the kidney &intestine known as 
fructokinase, which catalyzes the irreversible phosphorylation 
reaction of fructose to fructose 1-phosphate in the presence of ATP 
which is converted into ADP. This enzyme (fructokinase) not acts 
on glucose & unlike glucokinase; its activity is not affected by 


background image

 

47

 

fasting or by insulin, which may explain why fructose is cleared 
from the blood of diabetics at a normal rate.  
(2)-Fructose 1-phosphate is cleaved into glyceraldehyde & 
dihydroxyacetone phosphate by reversible reaction catalyzed by 
hepatic fructose 1-phosphate aldolase enzyme. 
(3)-Phosphorylation of glyceraldehyde to glyceraldehyde 3-
phosphate by irreversible reaction catalyzed by triokinase enzyme 
in the presence of ATP which is converted into ADP. 
(4)-The two triose phosphates ((dihydroxyacetone phosphate & 
glyceraldehyde 3-phosphate)), may be:- 
  A-Substrates for aldolase & hence gluconeogenesis, which is the 
fate of much of the fructose metabolized in the liver. 
  B-Degraded by glycolysis. 
 Fructose undergoes more rapid glycolysis in the liver than does 
glucose because it bypasses the regulatory step of glycolysis 
catalyzed by phosphofructokinase enzyme. 
 
Minor pathway: -
 In extrahepatic tissues, hexokinase enzyme 
catalyzes the phosphorylation of fructose into fructose 6-
phosphate which enter glycolysis pathway. However, glucose 
inhibits this phosphorylation of fructose since it’s a better 
substrate for hexokinase; therefore, this pathway is consider as a 
minor pathway. 
 
Note:- Minor amount of pyruvate ((produced from the entering of  
fructose metabolites into the glycolysis)) is converted into fatty acids, 
this conversion is increase by excess fructose intake. 


background image

 

48

 

 

 

Clinical Aspects of Fructose Metabolism 

1) - Loading of the liver with fructose: - as occur with 
intravenous infusion or following very high fructose intakes, may 
cause the followings:- 
  A-Hyperlipidemia because excess fructose in the liver 
increases fatty acid synthesis & so VLDL secretion, leading to 
increased LDL cholesterol which can be regarded as potentially 
atherogenic. 
   


background image

 

49

 

 B-Hyperuricemia because excess fructose intakes, causes 
sequestration of inorganic phosphate in fructose 1-phosphate & so 
diminished ATP. As a result there is less inhibition of denovo 
purine synthesis by ATP & so uric acid formation is increased, 
causing hyperuricemia, which is a cause of gout. 
2)-Essential fructosuria: - Inborn error of metabolism due to 
lack of hepatic fructokinase, the condition is benign. 
3)-Hereditary fructose intolerance:- Inborn error of metabolism 
due to absence of hepatic fructose 1-phosphate aldolase lead to the 
following presentations that usually occur during infancy when 
baby start to eat fructose containing diets.  
  A- Fructose-induced hypoglycemia because accumulation of 
fructose 1-phosphate inhibits the activity of liver phosphorylase 
causing hypoglycemia despite the presence of high glycogen 
reserves, this especially evident after fructose administration. 
  B-Hyperuricemia because sequestration of inorganic phosphate 
by the accumulated fructose 1-phosphate leads to depletion of 
ATP ,therefore, there is less inhibition of denovo purine synthesis 
by ATP & so uric acid formation is increased causing 
hyperuricemia which is a cause of gout. 
 C-Liver impairment due to the accumulation of fructose 1-
phosphate in the liver. 
 D-Failure to thrive. 
Diagnosis by detecting fructose in urine after administration of 
fructose, more precise diagnosis by measurement of hepatic 
fructose 1-phosphate aldolase activity.  
Treatment by diets low in fructose, sorbitol & sucrose (because 
they converted into fructose).  
 

Galactose Metabolism 

Galactose is derived from the intestinal hydrolysis of the 
disaccharide known as lactose which is the sugar of milk. It’s 
readily converted in the liver to glucose by the following steps:-  
(1)-Galactose is phosphorylated to galactose 1-phosphate in the 
presence of ATP which is converted into ADP in the irreversible 
reaction catalyzed by galactokinase enzyme, this reaction need 
magnesium ion as a cofactor. 


background image

 

50

 

(2)-Galactose 1-phosphate reacts with uridine diphosphate 
glucose (UDPGlc) to form uridine diphosphate galactose 
(UDPGal) & glucose 1-phosphate, in the reversible reaction 
catalyzed by galactose 1-phosphate uridyl transferase enzyme.  
(3)-The conversion of UDPGal to UDPGlc is by reversible 
reaction catalyzed by UDPGal 4-epimerase enzyme.  
(4)-Finally, glucose is liberated from UDPGlc after it enters the 
glycogenesis pathway followed by the glycogenolysis. 
Note:- Since the epimerase reaction is reversible. Therefore; 
glucose can be converted to galactose, so that galactose is not a 
dietary essential. However, galactose is required in the body not 
only in the formation of lactose but also as a constituent of 
glycolipids, proteoglycans & glycoproteins.  
 

 

 

Clinical Aspect of Galactose Metabolism 

Galactosemia: - Inborn error of metabolism characterize by the 
inability to metabolize galactose , its caused mainly by inherited 
defects of galactose 1-phosphate uridyl transferase & to less 
extent by defect in galactokinase or UDPGal 4-epimerase, the 
clinical features of galactosemia usually start to appear after the 


background image

 

51

 

baby start sucking milk which contain lactose, these clinical 
features include mainly:-  
1-Cataract:-The excess galactose concentration in the eye is 
reduced to galacticol, which accumulates, causing cataract due to 
its osmotic effect.   
2-Failure to thrive. 
3-Liver impairment:-especially in galactose 1-phosphate uridyl 
transferase deficiency because of the accumulation of galactose 1-
phosphate in the liver. 
4-Hypoglycemia. 
Diagnosis by detection of galactose in urine. 
Treatment by galactose-free diets. As the UDPGal 4-epimerase is 
present in adequate amounts in most cases of galactosemia, the 
galactosemic individual can still form UDPGal from glucose so 
that normal growth & development can occur regardless of these 
galactose-free diets. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

52

 

Gluconeogenesis 

Gluconeogenesis is the term used to include all the pathways 
responsible for converting noncarbohydrate precursors to glucose 
or glycogen. These noncarbohydrate precursors include 
glucogenic amino acids, lactate & glycerol.  
Liver & kidney are the major gluconeogenic tissues.  
 

Importance of gluconeogenesis 

1-Meets the needs of the body for glucose which is important in  
supplying energy especially for the nervous system& erythrocytes. 
2- Clears lactate produced by the muscles & erythrocytes. 
3- Clears glycerol produced by adipose tissue. 
 Therefore, failure of gluconeogenesis is usually fatal. 
 

Pathways of gluconeogenesis 

The pathway of gluconeogenesis involves reversal of glycolysis, 
the citric acid cycle & some special reactions. 
 Three irreversible reactions of glycolysis ((catalyzed by 
hexokinase, phosphofructokinase & pyruvate kinase enzymes)) 
prevent simple reversal of glycolysis for glucose syntheses by 
gluconeogenesis.They are circumvented as follows:- 
(1)- The conversion of  pyruvate into phosphoenolpyruvate , to 
achieve a reversal of glycolysis is through the following steps: 
  A)-Mitochondrial pyruvate carboxylase enzyme catalyzes the 
carboxylation of pyruvate ((present in the mitochondria)) to 
oxaloacetate, this irreversible reaction require ATP in the 
presence of the vitamin biotin as a coenzyme.  
  B)-Oxaloacetate does not cross the mitochondrial inner 
membrane; it should be converted to malate inside the 
mitochondria by Krebs cycle in reaction catalyzed by malate 
dehydrogenase
 enzyme, then malate is transported into the 
cytosol & in the cytosol is converted back to oxaloacetate by 
malate dehydrogenase enzyme. 
 C)-Phosphoenolpyruvate carboxykinase enzyme catalyzes the 
decarboxylation & phosphorylation of oxaloacetate which present 
in the cytoplasm to phosphoenolpyruvate ,this irreversible 


background image

 

53

 

reaction require GTP (Guanosine triphosphate) as the phosphate 
donor which is converted into GDP (Guanosine diphosphate). 
(2)-The conversion of fructose 1, 6-bisphosphate to fructose 6-
phosphate, to achieve a reversal of glycolysis, is catalyzed by 
fructose- 1, 6-bisphosphatase enzyme which present in the 
liver, kidney & skeletal muscle but is probably absent from heart 
& smooth muscle. 
(3)-The conversion of glucose 6-phosphate to glucose, to 
achieve a reversal of glycolysis, is catalyzed by glucose-6-
phosphatase 
enzyme which present in the liver & kidney but 
absent from muscle & adipose tissue, which, therefore, cannot 
export glucose into the bloodstream. 
Therefore by reversal of glycolysis & by citric acid cycle as 
described above glucose can be formed from the following 
noncarbohydrate precursors:- 
1- Glucogenic amino acids after transamination or deamination  
of these amino acids they yield either pyruvate or intermediates 
of the citric acid cycle as α-ketoglutarate , oxaloacetate or 
fumarate which enters the gluconeogenic pathway. 
2-Lactate by a reaction catalyzed by lactate dehydrogenase 
enzyme is converted into pyruvate which enters the 
gluconeogenic pathway.  
3-Glycerol which is converted into dihydroxyacetone phosphate 
which enters gluconeogenesis through the reverse of glycolysis, 
the conversion of glycerol into dihydroxyacetone phosphate 
occurs through the following steps:- 
Step 1:-Glycerol is released from adipose tissue as a result of 
lipolysis & only tissues such as liver & kidney that possess 
glycerol kinase enzyme that catalyzes the irreversible conversion 
of glycerol to glycerol 3-phosphate in the presence of ATP which 
is converted into ADP. 
 
                              Glycerol kinase 
Glycerol + ATP                                Glycerol 3-phosphate + ADP 
 
 
Step 2:-
Glycerol 3-phosphate is oxidized into dihydroxyacetone 
phosphate by reversible reaction catalyzed by glycerol 3-


background image

 

54

 

phosphate dehydrogenase enzyme in the presence of NAD

which is converted into NADH + H

+

.  

 
 
Glycerol 3-phosphate + NAD

+

 

 
            Glycerol 3-phosphate dehydrogenase 
 
Dihydroxyacetone phosphate + NADH + H

+

 

 
 
Note: - 
Gluconeogenesis pathway requires energy which is 
derived mainly from fatty acid oxidation. 
 
 
 


background image

 

55

 

 


background image

 

56

 

 

Regulation of Gluconeogenesis 

1-Pyruvate carboxylase enzyme in gluconeogenesis requires 
acetyl-CoA as an activator & at the same time acetyl-CoA inhibit 
pyruvate dehydrogenase complex which convert pyruvate into 
acetyl-CoA to enter citric acid cycle.  
Because acetyl-CoA is derived also from the oxidation of fatty 
acids, this explains the action of fatty acid oxidation in sparing the 
entering of pyruvate to the citric acid cycle & in stimulating 
gluconeogenesis.  
 

 

 
2-
Fructose-2, 6-bisphosphate is most potent positive stimulator of 
glycolysis ((through its stimulation of phosphofructokinase)) & 
inhibitor of gluconeogenesis ((through its inhibition of fructose  
1, 6 bisphosphatase)). 
Fructose 2, 6-bisphosphate is formed by phosphorylation of 
fructose 6-phosphate by phosphofructokinase-2 enzyme which 
is under the positive control of fructose 6-phosphate 
 Therefore, when glucose is abundant it elevate the concentration 
of fructose 6-phosphate which increase the concentration of 


background image

 

57

 

fructose 2, 6-bisphosphate ((stimulate glycolysis & inhibit 
gluconeogenesis)) while when glucose is low the concentration of 
fructose 6-phosphate & fructose 2, 6-bisphosphate is reduced lead 
to stimulation of gluconeogenesis & inhibition of glycolysis.  
3-Hormones that regulate gluconeogenesis acting through the 
enzymes that control the irreversible reactions of gluconeogenesis, 
these enzymes are pyruvate carboxylase, Phosphoenolpyruvate 
carboxykinase, fructose- 1, 6-bisphosphatase& glucose-6-
phosphatase. 
These hormones are the following:- 
A-Glucocorticoids, glucagon & epinephrine stimulate 
gluconeogenesis through their induction of the enzymes that control 
the irreversible reactions of gluconeogenesis. 
B-Insulin inhibits gluconeogenesis through its repression of the 
enzymes that control the irreversible reactions of gluconeogenesis. 
  

Hormonal Control of Carbohydrate Metabolism 

1-Glycolysis is stimulated by insulin & is inhibited by glucagon & 
epinephrine. 
2-Glycogenesis is stimulated by insulin & is inhibited by glucagon 
& epinephrine. 
3-Glycogenolysis is stimulated by glucagon & epinephrine & is 
inhibited by insulin. 
4-Gluconeogenesis is stimulated by glucocorticoids, glucagon & 
epinephrine & is inhibited by insulin. 

 

Blood Glucose Level 

The concentration of blood glucose is regulated within narrow limits 
ranging from 3.3 mmol/L ((60 mg/dL)) in starvation up to 7.2 
mmol/L ((130 mg/dL)) after the ingestion of a carbohydrate meal. 
A sudden decrease in blood glucose will cause convulsions due to 
the immediate brain dependence on a supply of glucose. 
However, much lower concentration can be tolerated, provided 
progressive adaptation is allowed by gluconeogenesis & ketone 
bodies formation. 

 
 
 


background image

 

58

 

Sources of Blood Glucose 

I ))-Diet:-

 

The digestible dietary carbohydrates yield glucose, 

galactose& fructose that are transported to the liver via the 
hepatic portal vein. Galactose & fructose are readily converted 
to glucose in the liver . 
II ))-Gluconeogenesis:-

 

glucose is formed from the following 

two groups of compounds that undergo gluconeogenesis . 
(A) Compounds that involved a direct conversion to glucose 
within the liver including most of glucogenic amino acids & 
glycerol.  
(B) Compounds which are the products of the metabolism of 
glucose in the tissues as lactate & the amino acid alanine 
through the following cycles: 
1-Lactic Acid (Cori) Cycle:-
 Lactate which formed by the 
glycolysis in the skeletal muscles & erythrocytes, is transported 
to the liver & kidney via circulation where it reforms glucose by 
gluconeogenesis, this formed glucose reach skeletal muscle & 
erythrocytes through the circulation again to become available for 
glycolysis & so on the cycle continue again. This process is 
known as the Cori cycle or lactic acid cycle.  
2- Glucose-Alanine Cycle:-
 Most important amino acid 
transported via circulation from skeletal muscle to the liver 
during fasting state is alanine which forms by transamination of 
pyruvate. In the liver alanine is converted into glucose by 
gluconeogenesis, this formed glucose reach skeletal muscle 
through the circulation again to become available for glycolysis & 
alanine formation so that the cycle continue again. This process is 
known as the glucose-alanine cycle. 
III ))-Glycogenolysis:-
 Another source of blood glucose is from 
glycogenolysis of the liver glycogen. 
 


background image

 

59

 

 

 

Glucosuria 

   Normally glucose is continuously filtered by the glomeruli but its 
completely  reabsorbed  in  the  renal  tubules;  therefore,  normally 
there  is  no  glucose  in  urine.  This  happen  when    venous  blood 
glucose  concentration  is  below  the  renal  threshold  for  glucose       
{
171-180 mg/dl (9.5-10.0 mmol/L) } 
 The presence of glucose in urine (glucosuria) suggest: 
1-Hyperglycemia  when  venous  blood  glucose  concentration 
exceeds  the  renal  threshold  for  glucose  as  occurs  in  diabetes 
mellitus. 
2- Reduction of renal threshold for glucose as occurs in: 
A-Renal  glucosuria  which  is  harmless  condition  with  no  obvious 
cause for it. 
B-During pregnancy which is due to hypervolemia that occur during 
pregnancy. 

 


background image

 

60

 

Diabetes Mellitus 

Diabetes mellitus is a family of disorders that is characterized by 
hyperglycemia. The disorders of diabetes differ in their etiology 
, symptoms & in the consequences of disease. 
In  Mosul,  more  than  10%  of  the  population  suffers  from 
diabetes. 

Classification of Diabetes Mellitus 

Diabetes  have been classified into four forms which are:-  
-Type 1 diabetes mellitus. 
-Type 2 diabetes mellitus. 
-Gestational diabetes mellitus. 
-Other specific types of diabetes mellitus. 
 

Type1 Diabetes Mellitus 

  Type 1 diabetes usually represents about 5-10% of diabetes & 
it  is  due    to  lack  of  insulin  production  &  secretion  by  the  beta 
cells of the pancreas. 
 Type1diabetes  manifests  itself  usually  during  childhood  & 
adolescents. 
Treatment by insulin replacement, diet management & exercise . 
  Type1diabetes is subclassified into:- 
A-Immune  mediated  :  represent  the  common  form  of  type  1 
diabetes in which there is an autoimmune destruction of the beta 
cells  of  the  pancreas  by  autoantibodies  leading  to  absolute 
insulin deficiency.  
There  is  a  genetic  susceptibility  for  the  development  of  these 
autoantibodies, 

with 

certain 

histocompatibility 

antigens 

predominant (HLA-DR3 &DR4) . However, the development of 
disease is complex; triggering factors, such as rubella, mumps, 
& other viral infection & chemical contact may be necessary for 
progression of disease. 
B-Idiopathic:  represent  the  rare  form  of  type  1  diabetes  in 
which  there  is  no  any  obvious  cause  for  the  development  of 
disease.  
 
 
 


background image

 

61

 

Type 2 Diabetes Mellitus 

  It forms the most common type of diabetes 

& it is either due  to 

the  body  does  not  produce  enough  insulin  or  reduction  of 
cellular

 effects of insulin ((insulin resistance)). 

 

  The etiology of type 2 diabetes is 

polygenic which means that 

both  hereditary  &  environmental  factors(

obesity,  lack  of 

physical  activity  &  certain  racial  groups)

  are  important  for  its 

appearance.  
 Other  factors  important  in  the  development  of  disease  are  

previous  history  of  gestational  diabetes,  increasing  age, 
dyslipidemia & hypertension. 

Type  2  diabetes  usually  affects  obese  people  older  than  40 
years.

 

 Treatment usually by weight reduction, diet management & oral 
hypoglycemic  drugs.  Insulin  may  be  prescribed  for  type  2 
diabetics  who  fail  to  achieve  glycemic  control  with  other 
measures. 
 

Gestational Diabetes Mellitus (GDM) 

  It’s  defined  as  diabetes  that  is  diagnosed  first  time  during 
pregnancy , it affects about 4% of all pregnant women.  
During pregnancy there is

 reduction of cellular effects of insulin 

((insulin  resistance))

.  Most  pregnant  women  will  compensate 

with  increased  secretion  of  insulin;  those  individuals  who  are 
unable to compensate may develop gestational diabetes . 
  The  hyperglycemia  of  gestational  diabetes  diminishes  after 
delivery; however, the individual who has developed gestational 
diabetes is at higher risk for the development of type 2 diabetes 
thereafter

 specially those  showing autoantibodies  at the time  of 

delivery

 

Other Specific Types of Diabetes 

  It’s previously called secondary diabetes.  These specific types 
include mainly:-

TABLE 4-1

 

-Genetic defects of beta cell function. 
-Genetic defects in insulin action. 
-Diseases of the exocrine pancreas such as cystic fibrosis. 
-Endocrinopathies such as Cushing’s syndrome. 


background image

 

62

 

-Drug or chemical-induced such as glucocorticoids. 
-Infections. 
-Uncommon forms of immune-mediated diabetes. 

 

Impaired Glucose Tolerance 

(Impaired Fasting Glucose, Prediabetes) 

  Impaired  glucose  tolerance  represents  a  blood  glucose  levels 
are higher than normal but not high enough to be characterized 
as  overt  diabetes  (borderline  stage).  Persons  with  impaired 
glucose tolerance have a higher risk for macroangiopathy & the 
cardiovascular mortality than those with normal person.  
20-30% of people with impaired glucose tolerance will develop 
clinically  overt  diabetes  mellitus  within  10  years.  Therefore, 
persons  with  impaired  glucose  tolerance  need  follow-up  & 
weight reduction. 
 

Diagnosis of Diabetes Mellitus 

Usually by measuring plasma glucose as follow:- 

1-Fasting plasma glucose test:- Measures plasma glucose after 
at  least  8  hours  without  eating.  This  test  is  used  to  detect 
diabetes or pre-diabetes as follow:- 

Fasting Plasma Glucose Result (mg/dL)

 

Diagnosis

 

70-99

 

Normal

 

100 to 125

 

Pre-diabetes 
(impaired fasting glucose)

 

126 and above

 

Diabetes

 

2-Oral  glucose  tolerance  test  (OGTT):-  Measures  plasma 
glucose  after  at  least  8  hours  without  eating  &  2  hours  after 
drink  a  liquid  containing  75  gm  glucose.  This  test  is  more 
precise  in  diagnose  diabetes  or  especially  pre-diabetes  as 
follow:- 

 


background image

 

63

 

2-Hour Plasma Glucose Result (mg/dL)

 

Diagnosis

 

139 and below

 

Normal

 

140 to 199

 

Pre-diabetes 
(impaired glucose tolerance)

 

200 and above

 

Diabetes

 

In gestational diabetes it’s diagnosed by a special form of OGTT 
in which measures plasma glucose after at least 8 hours without 
eating  then  we  measures  plasma  glucose  1  hour  ,  2  hours  &  3 
hours after drink a liquid containing 100 gm glucose. If plasma 
glucose  levels  in  at  least  two  of    four  reading  reach  the  value 
found in following table, it means that the pregnant women have 
gestational diabetes. 

When

 

Plasma Glucose Result (mg/dL)

 

Fasting

 

95 or higher

 

At 1 hour

 

180 or higher

 

At 2 hours

 

155 or higher

 

At 3 hours

 

140 or higher

 

 

 

Long Term Complications of Diabetes Mellitus 

1- Microangiopathy resulting in the development of retinopathy, 
nephropathy & neuropathy. 
 2-

Macroangiopathy  r

esulting  in  atherosclerosis  &  coronary 

heart disease.  
 
 
 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Oday Duraid
المشاهدات: لقد قام 27 عضواً و 320 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