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CHO  Metabolism 

Dr. Wajdy J. Majid

Assit.Prof.  in clinical biochemistry 

College of Medicine

University of Thi-Qar


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Digestion of  dietary CHO

 The principal source of carbohydrate in the diet include the

polysaccharide starch and glycogen, which are based on glucose units
linked by

α-glucosidic links.

 The first step in metabolism of digestible CHO is the conversion of higher

polymers to simpler , soluble forms that can be transported across the
intestinal wall and delivered to the tissue.

 The breakdown of polymeric sugar begin in the mouth , saliva has a

slightly acidic PH of 6.8 and contain lingual amylase that begins the
digestion of CHO the action of salivary amylase is limited to the area of
the mouth and esophagus , it is inactivated by stronger acid PH of the
stomach once the food has arrived in the stomach , acid hydrolysis
contributes to its degradation , specific gastric protease and lipase aid this
process for protein and fat , respectively the mixture of gastric secretion,
saliva and food known collectively as chyme which move to the small
intestine.


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The main polymeric CHO digesting enzyme of S.I is α-amylase this enzyme 
secreted by pancreas and has the same activity as salivary amylase 
producing disaccharide and trisaccharide , the later are converted to 
monosaccharide by intestinal disaccharidase including maltase that 
hydrolyse di and trisaccharide , and more specific disaccharidase sucrase, 
lactase and trehalase, the net result is conversion of digestible CHO to 
constituent monosaccharides.

 The resultant glucose and other simple CHO are absorbed by S.I. and 

transport to the liver and other tissue .they are converted to fatty acid , 
amino acid and glycogen, or else oxidized by various catabolic pathways of 
cells . the oxidation of glucose called glycolysis, glucose is oxidized either to 
pyruvate or lactate .


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Under aerobic condition the dominant product in most tissue is pyruvate 

and the pathway is called 

aerobic glycolysis,

when oxygen is depleted ex: 

during prolong vigorous exercise the dominant product of glycolysis in 
many tissue is lactate and the process is called 

anaerobic glycolysis

.

Under aerobic condition the dominant product in most tissue is pyruvate and

the pathway is called

aerobic glycolysis

,

when oxygen is depleted ex: during

prolong vigorous exercise the dominant product of glycolysis in many tissue is
lactate and the process is called

anaerobic glycolysis

.


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Site of Glycolysis 

Enzymes of glycolysis are present in the cytosol of most of the cells present 
in the body .

Source of Glucose

Dietary glucose formed from the digestion of dietary carbohydrates enter
liver through portal venous system after its absorption from the intestine.
Liver distributes glucose to all other organs (cells) of the body.

Entry of the Glucose in to the Cells 

Entry of the Glucose in to the Cells 
Glucose enters cells by facilitated transport. 
1. 

Liver  Glucose

enters liver cells by facilitated diffusion. It is an insulin-

independent transport mechanism for the transport of glucose across liver 
cells.
2-

Extra hepatic tissues

Glucose enters adipocytes, erythrocytes, brain and 

skeletal muscle by facilitated transport involving carrier molecule. 
The transport of glucose across the membranes of adipose tissue and 
skeletal muscle  by carrier is dependent on insulin.


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Reactions of  Glycolysis 


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Initial reaction of glycolysis is catalyzed by 

hexokinase.

It is widely 

distributed.  It phosphorylates glucose at 6 carbon in presence of Mg2+ and 
ATP. 

Hexokinase is an 

allosteric enzyme

. The reaction catalyzed by this 

enzyme is irreversible under normal physiological conditions . 

One high energy bond of ATP is used in this reaction to generate glucose-
6-phosphate. 

Liver contains glucokinase, 

which phosporylates only 

glucose. It is an inducible enzyme. 

Its Km for glucose is high compared to 

Km of hexokinase

Hence, 

it phosphorylates glucose only when blood 

glucose concentration is high

. Liver hexokinase phosphorylates glucose 

even blood glucose is low.


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Energetics of Glycolysis

 Degradation of glucose to two molecules of pyruvate or lactate by sequence 

of enzyme catalyzed reactions constitutes the process of 

glycolysis

. It is a 

catabolic pathway. If glucose is degraded to pyruvate then it is called as 

aerobic glycolysis

Usually it occurs in presence of oxygen. If glucose is 

degraded to lactate then it is 

anaerobic glycolysis

,  usually it occurs in the 

absence of oxygen.

Generation and consumption of ATP in anaerobic and aerobic glycolysis is 
given below :

In aerobic glycolysis: 

1. Number of ATPs generated by phosphoglycerate kinase

2. Number of ATPs generated by Pyruvate kinase                               2
3. Number of ATPs generated by respiratory chain oxidation of 

2 NADH produced in reaction                                                          6 

4. Number of ATPs consumed in reaction 1 and  3                             

–2 

Net  result    =                                                                 8


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In anaerobic glycolysis : 

2 NADH produced in reaction 6 are used to convert pyruvate to lactate. Hence, ATP 
is not generated. 
Therefore, the net ATP production in anaerobic glycolysis is only 2

(8 – 6 = 2).

Thus, oxidation of glucose to pyruvate 

(aerobic glycolysis) generates 8 ATP 

molecules 

whereas oxidation of glucose to lactate 

(anaerobic glycolysis) generates 2 

ATP molecules

.


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Anaerobic glycolysis :

 Under aerobic condition pyruvate in most cells is further metabolized via 

the TCA cycle . under anaerobic condition and in erythrocyte under 
aerobic condition , puruvate is converted to lactate by the enzyme lactate 
dehydrogenase    ( LDH ) and the lactate is transported out of the cells 
into the circulation . 

 The conversion of pyruvate to lactate under anaerobic condition provides 

the cell with a mechanism for oxidation of NADH ( producing during 
G3PDH reaction) to NAD which occur during the LDH catalyzed reaction , 
this reduction is required since NAD is a necessary substrate for G3PDH 
without which glycolysis will cease.


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 Aerobic glycolysis generate substantially more ATP per mole of glucose oxidized

than does anaerobic glycolysis.

The utility of anaerobic glycolysis to muscle cell when it needs large amount of

energy during muscle contraction since that the rate of ATP production from
anaerobic glycolysis is approximately 100 faster than from oxidative
phosphorylation, during excersion muscle cells do not need to energize anabolic
reaction pathway,

the requirement is to generate the maximum amount of ATP

for muscle contraction in the shortest time frame,

this is why muscle cells derive

almost all of ATP consumed during exertion from anaerobic glycolysis.


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Usually metabolic pathways are regulated by altering activities of few

enzymes of that pathway. Glycolysis is under allosteric and hormonal control.

Hexokinase , phosphofructo kinase

and

pyruvate kinase

are regulatory

enzymes of glycolysis. Their activities are allosterically controlled. Further
glucokinase,

phosphofructokinase-1

and

pyruvate

kinase

are

under

hormonal control also.

-Allosteric regulation of glycolysis

Phosphofructokinase-1

is

the

major

regulatory

enzymes

of

glycolysis

. It is an

allosteric enzyme

and catalyzes rate limiting reaction of

glycolysis. It is inhibited by ATP and citrate. AMP and fructose-6-phosphate
are activators of this enzyme .

Pyruvate kinase is the second regulatory

enzyme

.

It is inhibited by ATP and phosphoenolpyrvate.

Regulation of glycolysis 

:        


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Glucose 6-phosphate inhibits activity of hexokinase. So, when ATP
(energy) concentration is high glycolysis is inhibited and decrease in

ATP level increases rate of glycolysis

.

Hormonal regulation of glycolysis

Insulin increases rate of glycolysis

by increasing concentration of 

glucokinase, phosphofructokinase-1 and pyruvate kinase.

Metabolic fates of pyruvate :

- Pyruvate is the branch point molecule of glycolysis .
-The fate of pyruvate depends on the oxidation state of the cell,
-The fate of pyruvate during anaerobic glycolysis is reduction to lactate,

or pyruvate enter the TCA in the form of acetyl-CoA by pyruvate

dehydrogenase reaction with generation of NADH molecule to complete

aerobic oxidation of pyruvate

.


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The citric acid cycle ( catabolism of acetyl-CoA) :

The citric acid cycle (Krebs cycle, tricarboxylic acid cycle) is a series

of reactions in the mitochondria that oxidize acetyl CoA to formation
of ATP .

The TCA cycle is the final common pathway for aerobic oxidation of CHO ,

lipid and protein

because glucose , fatty acid and most amino acid are

metabolized to acetyl CoA or intermediate of the cycle.


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Acetyl CoA react with oxaloacetate to form citrate by a series of

dehydrogenation and decarboxylation , citrate is degraded ,
releasing reduced co-enzyme and CO2 and regenerating
oxaloacetate .

 The reduced co-enzyme are oxidized by the respiratory chain

linked to formation of ATP . thus the cycle is the major route for
generation of ATP and is located in the matrix of mitochondria
adjacent to the enzyme of respiratory chain and oxidative
phosphorylation.

 TCA cycle has also a central role in gluconeogensis, fatty acid

synthesis and interconversion of amino acid.


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Generation of ATP in Citric Acid Cycle

1. Number of ATP generated by oxidation of  3 NADH                       9 
2. Number of ATP generated by oxidation of  FADH2                         2 
3. Number of ATP generated from GTP                                              1 

Total                                                                                   12


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Regulation of Citric Acid Cycle

 Enzymes of citric acid cycle are under

allosteric controlCitrate synthase,

isocitrate dehydrogenase and α-ketoglutarate dehydrogenase

are involved in the

regulation of citric acid cycle and their activities are allosterically
regulated.

 Citrate synthase activity is inhibited by ATP and long chain acyl-

CoA. Isocitrate dehydrogenase is inhibited by ATP and NADH and
activated by ADP. Succinyl-CoA and NADH are allosteric inhibitors
of third regulatory enzyme α-ketoglutarate dehydrogenase.

 So the

rate of citric acid cycle increases in the absence of ATP

and decreases in the presence of ATP and NADH

The energy

demand of cell determines the rate of citric acid cycle


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ATP Generation during Oxidation of  Glucose  :

Process

Number of  ATP/ mol of  glucose

1. Glycolysis                                                             8

2. Pyruvate dehydrogenase                                    6 

3. Citric acid cycle                                                  24 

Total                                                                      38 

Thus, aerobic oxidation of  glucose  generates total ( 38 ATP   molecules ) .


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Glycogen metabolism :

 Glycogen

is a highly branched polysaccharide composed of D-glucose unit joined

to each other by glycosidic bond, the major linkage are α-1,4 glycosidic bond , at
interval of about ten units , there are branches in the chain involving α-1,6 linkage ,
each branch then continue with α-1,4 linkage .

The glycogen is the store of excess

glucose to supply the tissue with an oxidizable energy source are found principally
in the liver as glycogen .

 The second major source of stored glucose is the glycogen of skeletal muscles.

Muscle glycogen is not generally available to other tissue because

muscle lack the

enzyme glucose-6-phosphatase

. The major site of daily glucose consumption ( 75%

) is the brain via aerobic pathway , most of remainder of it is utilized by erythrocyte
, skeletal muscle and heart muscle.


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 The body obtained glucose either directly from diet or from amino

acid and lactate via gluconeogensis

.

 Glucose obtained from these two primary sources either remains

soluble in the body fluids or stored as glycogen .

 Glycogen is considered the principal storage form of glucose and

found mainly in the liver and muscle , with kidney and intestine
adding minor storage sites.

 Stores of glycogen in the liver are consider the main buffer of

blood glucose levels.


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GLYCOGENESIS

Glycogenesis is the synthesis of glycogen from glucose

.

Site :

glycogen it chiefly occurs in liver and skeletal muscle. In the muscle, about 245

gms of glycogen and in the liver about 72 gms of glycogen is stored under well fed
condition. Even though-energy, rich fat is abundant in the body skeletal muscle prefers
to store glucose (energy) as glycogen because :

1. Fat can not be oxidized under anaerobic condition .
2. Acetyl-CoA of fat oxidation can not be converted to glucose.
3. Skeletal muscle is unable to mobilize fat rapidly.

The rate of( glycogensis) may be increased by insulin which is secreted by β-cells of the
pancreas in response to systemic hyperglycemia and stored as glycogen in the liver and
also the excess glucose enter the muscle under influence of insulin and stored as
glycogen

.


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Glycogenolysis : 

 Degredation of stored glycogen ( glycogenolysis) occur by the action of glycogen

phosphorylase , the phosphorylase is remove single glucose residue from α(1,4)-
linkage within the glycogen molecules.

 The product of this reaction is glucose -1-phosphate , which converted to G6P by

phosphoglucomutase

the conversion of G6P to glucose which occur in the liver ,

kidney and intestine by the action of enzyme

glucose-6-phosphatase

which does

not occur in skeletal muscle as these cells because lack this enzyme .

 Therefore any glucose released from glycogen stores of muscle will be oxidized in

the glycolytic pathway.

In the liver the action of G-6-phosphatase allow

glycogenolysis to generate free glucose for maintaining blood glucose levels.


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Glycogen phosphorylase

can not remove glucose residue from the branch

points (α-1,6 linkage) in glycogen . the activity of phosphorylase cease 4
glucose residue from the branch point .

 The removal of these branch point glucose residue require the action of

debranching enzyme

( also called glucan transferase) which contain 2 activities

:

glucotransferase and glucosidase

, the transferase activity remove the terminal 3-

glucose residue of one branch and attaches them to a free C-4 end of a second
branch.

 The glucose in α-(1,6)-linkage at the branch is then removed by action of

glucosidase

.


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Hormonal Regulation of  Glycogen Metabolism

Epinephrine  and  glucagon

increases  cAMP

mediated  phosphorylation, 

which in turn converts 

inactive glycogen phosphorylase B to active phosphorylase

A

,  as  a  result  glycogenolysis is  enhanced.  At  the  same  time  cAMP mediated 

phosphorylation converts active glycogen synthase A to inactive glycogen synthase
B which results in decreased glycogenesis.

Insulin: 

decreases  glycogenolysis by  decreasing  cAMP mediated 

phosphorylation

. At the same time insulin favours dephosphorylation of  glycogen 

synthase B , which results in formation of  more glycogen synthase A and increased 
glycogenesis.


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Medical Importance of  Hormonal Regulation of  Glycogen 

Metabolism

In between meals  

hypoglycemia  induces  glucagon  production ,  

Glucagon  causes  breakdown  of   glycogen  in  liver 

to  maintain  supply  of   glucose  to 

brain and cardiac muscle. 

Epinephrine causes breakdown of  glycogen in skeletal muscle

to maintain fuel supply 

for muscle contraction. After a meal, 

hyperglycemia induces insulin secretion. 

Insulin  causes  inactivation  of   enzymes  of   glycogenolysis and  activation  of   glycogen 
forming enzymes

. As a result glycogenesis occurs in liver and muscle.


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Glycogen Storage Diseases :

These are group of inherited (genetic) diseases of glycogen
metabolism. In these diseases, there is an

abnormal

accumulation of large amount of glycogen or its metabolites in
the tissues due to deficiency or absence of enzymes of glycogen
metabolism. Some of them are not serious mild disorders but
few of them are fatal.


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a ) Von Geirke’s disease (Type-1 glycogen storage disease)  :

It is due to the 

deficiency of  glucose-6-phosphatase 

in liver, kidney and intestine. 

The incidence of  this disease is 1 in 2,00,000.  it is lead to accumulation of  glycogen 
in liver and kidney and enlargement of  liver occurs. Hypoglycemia is common 
symptom other symptoms are hyperuricemia, hyperlipemia and ketosis.

b) Pompe’s disease (Type-II) 

It is due to deficiency of  

lysosomal α-glucosidase

.  Accumulation of  glycogen occurs 

in all tissues. Accumulation of  glycogen in heart leads to cardiomegaly. It is a fatal 
disorder and death occurs before second year of  life due to cardio respiratory failure

.


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C) Cori’s disease (Type-III) : 

It is due to 

deficiency of  debranching enzyme

. Limit dextrin a metabolite of  

glycogenolysis accumulates in liver. Hence, this condition is also called as limit 
dextrnosis

.

d ) Anderson’s disease (Type-IV):

It is a fatal disease. It is due to 

absence of  branching enzyme

. Amylopectin an 

intermediate of  glycogenesis accumulatres in liver, spleen and heart. Hence, this 
condition is called as amylopectinosis

.

e) Mc Ardle’s syndrome (Type-V): 

It is due to the 

absence of  muscle phosphorylase

. Glycogen accumulates in muscle 

and lactic acid production in muscle is not increased after exercise. Affected person 
suffer from painful muscle cramps and diminished tolerance to exercise.

f) Her’s disease (Type-VI): 

It is due to the 

absence of  liver phosphorylase

. Glycogenolysis is defective and 

glycogen accumulates in liver.


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Gluconeogensis :

It is the biosynthesis of  new glucose ( not glucose from glycogen)

the production of  glucose from other metabolite is necessary for use as fuel source by 
the brain , testis, erythrocyte and kidney medulla since glucose is the sole energy source 
for  these  organs  ,  it  is 

the  process  that  converts  non-carbohydrate  substance  to 

glucose

.

Glucose is synthesized from  pyruvate, which is derived from glucogenic amino acids, 
intermediates of  TCA cycle and glycerol. Since pyruvate can be formed from lactate by 
the reversal of  lactate dehydrogenase reaction synthesis of  glucose occurs from lactate 
also. Gluconeogenesis is an energy-consuming process . 

- Gluconeogenesis occurs mainly in the liver and kidney.
-Enzymes of  gluconeogenesis are present in mitochondria and cytosol .


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Substrate for gluconeogensis :

lactate :

is a predominant source for glucose synthesis by gluconeogensis . 

during  anaerobic  glycolysis in  skeletal  muscle  ,  pyruvate is  reduced  to 
lactate by lactate dehydrogenase (LDH) this reduction serves two critical 
function  during  anaerobic  glycolysis first  ,  in  the  direction  of   lactate 
formation the LDH reaction require NADH and yield NAD which then 
available  for  use  by  glyceraldehydes  -3- phosphate  dehydrogenase
reaction  of   glycolysis .secondly  ,  the  lactate  produced  by  the  LDH 
reaction is released to blood stream and     transport to the liver where it 
is converted to glucose , the glucose then returned to the  blood for use 
by  muscle  as  an  energy  source  and  to  replenish  glycogen  stores. 

This  

cycle is termed the Cori cycle.


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pyruvate :

pyruvate generated in muscle and other peripheral tissue can transaminated

to alanine which is returned to the liver for gluconeogensis. Within the liver alanine
is converted back to pyruvate and used as substrate for gluconeogensis (if that is
hepatic requirement ), or oxidized in TCA cycle.

Amino acids :

All 20 of the amino acid except leucine and lysine

can degraded to TCA cycle

intermediate.
This allow the amino acid to be converted to those in oxaloacetate and then into
pyruvate , the pyruvate can be utilized by gluconeogensis .
When glycogen store are depleted in muscle during exertion and in liver during
fasting , so catabolism of muscle protein to amino acid contribute the major source
of carbon for maintenance of blood glucose levels .


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glycerol :

In  the  liver,  glycerol  is  converted  to  dihydroxyacetone phosphate  which  enters 

pathway  of   gluconeogenesis ,  the  glycerol  backbone  of   lipid  can  be  used  for 
gluconeogensis,    this  require  phosphorylation to  glycerol  3-phosphate  by  glycerol 
kinase

and  dehydrogenation  to  (DHAP)  by  glyceraldehydes-3-phosphate 

dehydrogenase (G3PDH)  .  so  the 

triacylglycerol which  stored  in  adipose  tissue 

can be used its glycerol as substrate for gluconeogensis

.

propionate :

Oxidation of  fatty acid with an odd number of  carbon atoms and oxidation of  some 
amino acid generate  as the terminal oxidation product (propionyl-CoA) ,propionyl –
CoA is converted to the TCA intermediate , (succinyl-CoA) this conversion is carried 
out by the ATP-requiring enzyme, propionyl-CoA carboxylase

.


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Medical and Biological Importance of  gluconeogenesis :

1.

Gluconeogenesis

meets the glucose requirement of body when carbohydrate is

in short supply i.e., during fasting and starvation.

2.Tissues like brain, skeletal muscle, erythrocytes and testis

are completely

depend on glucose for energy and hence decrease in glucose supply cause brain
dysfunction. Body glycogen can meet glucose requirement for only 24 hours so,
beyond that period gluconeogenesis ensures glucose supply to these organs.

3. Gluconeogenesis

clears metabolic products of other tissues from blood , for

example, lactate produced by erythrocytes, skeletal muscle, glycerol produced by
breakdown of adipose tissue TG and a . a. produced by muscle protein breakdown.

4. Gluconeogenesis

converts excess of dietary glucogenic amino acids into glucose.

5. Lactic acidosis

occurs in fructose-1, 6-bis phosphatase deficiency.

6. Gluconeogenesis

is impaired in alcoholics .


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Regulation of  Gluconeogenesis

Enzymes of  gluconeogenesis are subjected to allosteric regulation and hormone 

regulation.  Pyruvte carboxylase and  fructose-1,  6-bisphosphatase  regulates 
gluconeogenesis

Allosteric regulation

Pyruvate carboxylase is  an  allosteric enzyme.  Acetyl-CoA is  its  activator.  When 

glucose  is  in  short  supply  fatty  acid  oxidation  generates  acetyl-CoA this  in  turn 
activates  gluconeogenesis.  Fructose-1,  6-bisphosphatase  is  another  allosteric enzyme. 
AMP  is  its  allosteric inhibitor.  So  when  there  is  energy  crisis  gluconeogenesis is 
inhibited

.

Hormonal regulation 

Insulin  decreases  the  synthesis  of   key  enzymes  of   gluconeogenesis thus  inhibit 

gluconeogenesis

.


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Glucose-alanine Cycle :

In the skeletal muscle pyruvate is converted to alanine by

transamination. Through the circulation alanine reaches liver. In the
liver pyruvate regenerated from alanine by transamination is used for
glucose synthesis. This process is called as glucose-alanine cycle.

This

cycle operates during starvation when muscle proteins are degraded

. This cycle

is meant for the transport of amino group nitrogen from muscle to
liver .


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Regulation of blood glucose level :

Because of the demands of the brain for oxidizable glucose, that the human

body regulate the level of glucose circulating in the blood , this level maintained in
the range of 5 mm .

Nearly all CHO ingested in the diet are converted to glucose following

transport to the liver , catabolism of dietary or cellular protein can be utilized for
glucose synthesis via gluconeogensis, additionally other tissue besides the liver that
incompletely oxidize glucose ( predominantly skeletal muscle and erythrocyte)
provide lactate that can be converted to glucose via gluconeogensis.
Maintenance of blood glucose homeostasis is very important for survival of human
organism.

The hormones concerned with glucose homeostasis are :


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Insulin :

Is the most important hormone controlling the plasma glucose concentration , it

is secreted by β-cell of pancreas , these cells produce proinsulin, which consists of the
51-amino-acid polypeptide insulin and a linking peptide ( C-peptide) , then released
into plasma mainly in response to rising plasma glucose level. Insulin bind to specific
receptors on the surface of insulin-sensitive cells of adipose tissue and muscles, the
most important effect is

stimulation of glucose entry into these cells with

resultant decrease in plasma level

, also insulin

promote glycogen synthesis in

the liver and in the muscle

, also it

stimulate fat synthesis in adipose tissue and

protein synthesis in the muscle

, but

it

inhibit gluconeogensis , lipolysis and

proteolysis.

The normal response to hyperglycemia there for depend on :

1- adequate insulin secretions.
2- Adequate insulin receptors.
3- Normal intracellular response to receptors binding of insulin ( post receptors
events) .


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Glucagon :

Glucagon is a single-chain polypeptide , synthesized by α-cell of  pancreas and 

it secretion stimulated by hypoglycemia and fasting , glucagons stimulate hepatic 
glycogenolysis by activating glycogen phosphorylase and stimulate gluconeogensis.

Growth hormone :

Released from anterior pituitary gland and act to increase blood glucose by 

inhibiting uptake of  glucose by extrahepatic tissue specially in muscle

, and 

increase lipolysis

, but 

it increase synthesis of   muscle protein

, it is secretion 

stimulated by hypoglycemia, stress and sleep.


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Glucocorticoid :

It act to increase blood glucose level by

inhibiting glucose uptake in the muscles

, cortisol the major glucocorticoid released from adrenal cortex, is secreted in response to
the increase in circulating ACTH ,

glucocorticoid increase gluconeogensis

,

increase

protein breakdown in the muscles and increase lipolysis in adipose tissue

It is

secretion stimulated by hypoglycemia and stress.

Adrenalin :

It is secreted from adrenal medulla it stimulate production of glucose by

activating

glycogenolysis in the liver and muscle by activating phosporylase enzyme

in

response to stressful stimuli , adrenalin also

stimulate lipolysis

.


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Pentose phosphate pathway :

The pentose phosphate pathway is primarily an anabolic pathway that utilize the

6 carbons of glucose to generate 5 carbon sugars and reducing equivalents.

Primary function of this pathway are :

1-To generate reducing equivalents in the form of NADPH for reductive
biosynthesis reaction within the cells.
2-To provide the cell with ribose-5-phosphate (R5P) for the synthesis of
nucleotides and nucleic acids.
3-It can operate to metabolize dietary pentose sugars derived from the
digestion of nucleic acids as well as to rearrange the carbon skeletons of
dietary CHO into glycolytic and gluconeogenic intermediates.

Site :

Enzymes of this pathway are present in cytosol of liver, adipose tissue,

erythrocytes, adrenal cortex, thyroid, testis, ovaries and lactating mammary gland.
In the skeletal muscle the pathway is less active.
The reaction of F.A and steroid biosynthesis utilize large amount of NADPH ,
erythrocyte utilize the reaction of PPP to generate large amount of NADPH .


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Reactions of  hexose monophosphate shunt :

The reaction of PPP take place in the cytoplasm

the PPP has both

oxidative and non oxidative arm

.

The oxidation steps , utilizing glucose-6-phosphate (G6P) as the substrate occur at

the beginning of pathway and the reaction that generate NADPH. the reaction
catalyzed

by

glucose-6-phosphate

dehydrogenase

and

6-phosphogluconate

dehydrogenase generate one mole of NADPH each for every mole of glucose-6-
phosphate that enter the PPP.
 The non oxidative reactions of PPP are primarily designed to generate R-5-P.
 Also the important reaction of PPP are to convert dietary 5 carbon sugars into
both (fructose-6-phosphate) and (glceraldehyde-3-phosphate) which can then be
utilized by pathway of glycolysis.


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Medical Importance of  Pentose Phosphate Pathway:

Glucose-6-Phosphate Dehydrogenase Deficiency ( G6PDD ) : 

The PPP supplies the RBC with NADPH to maintain the reduced state of  glutathione. 
In  some  individual  carry  defective  gene  which  less  active  glucose-6-phosphate 
dehydrogenase and  becomes  inactive  in  presence  of   certain  drugs.  So,  the  affected 
individuals are normal until they are exposed to those drugs. 

Glucose-6-phosphate  dehydrogenese deficiency

occurs  when  drugs  like  aspirin, 

antibiotics 

ciprofloxacin , nitofurantoin , sulphonamide

also 

anti-malarial

drug

and

sulfonamide

are 

administered to these individuals. Since NADPH production is 

blocked in these individuals due to the deficiency of  G6PD  the susceptibility of  RBC 
to hemolysis is increased. Therefore, the affected individuals develop hemolytic anemia 
on exposure to these drugs. Consumption of  fava beans also causes G6PD deficiency 
in  the  susceptible  individuals.  Favism is  the  name  given  to  this  type  of   G6PD  
deficiency.


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 The inability to maintain reduced glutathione in the RBC lead to increase
accumulation of peroxides H2O2 , predominantly H2O2 that result in a weakening
of the cell wall and concomitant haemolysis , accumulation of H2O2 also lead to
increase rate of oxidation of hemoglobin to methemoglobin that also lead to
weakening of the cell wall.

Glutathione remove peroxide via the action of glutathione peroxidase, the PPP in

erythrocyte is the only pathway for these cells to produce NADPH , so any defect in
production of NADPH lead to effect on RBC survival .

So deficiency of G6PD may cause haemolytic anemia

this enzyme catalyze the

first step in P.P.P pathway and need for formation of NADPH which is essential for
maintenance of intact red cell mem. and for protection RBC against oxidative stress.

 The G6PD is X-linked recessive disorder affecting mainly the male.


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The role of  liver in the buffering blood glucose :

The blood glucose level in atypical person after an overnight fast is  80 mg/dl (4.4 
mmol/l) , the blood glucose level during the day normally range from about 80 mg/dl 
before  meal  to  about  120  mg/dl  after  meal  , 

the  blood  glucose  level  is  controlled 

primarily by the action of   the liver , which can take up or release large amounts of  
glucose in response to hormonal signals and the level of  glucose itself

. After the CHO 

containing meal , the liver  can store some of   excess glucose  as   glycogen , the rate 
of  glycogen synthesis (glycogensis) from (G6P) may be increased by insulin which is 
secreted by the  β-cells of  pancreas in response to systemic hyperglycemia .
 The  liver  can  convert  some  of   excess  glucose  to  fatty  acid  which  are  ultimately 
transported  as  triglyceride  in  VLDL  and  store  in  adipose  tissue  Under  aerobic 
condition  the  liver  can  synthesize  glucose  (by  gluconeogensis)  using  the  metabolic 
products from other tissue , such as glycerol , lactate or carbon chains resulting from 
deamination of  most amino acid (mainly alanine)


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The liver contain enzyme( G6Pase)

which can release free glucose from (G6P) ,

the (G6P) result from glycogen breakdown (glycogenolysis) or by gluconeogensis
the releasing of free glucose from (G6P) help to maintain extracellular fasting level.

 Hepatic glycogenolysis is stimulated by hormone glucagone secreted by α-cells of
pancreas , and by catecholamine such as adrenalin or nor adrenalin .

During fasting the liver can convert fatty acid , released from adipose tissue as a

consequence of low insulin activity to ketones , these can be used by other tissue ,
including the brain as an energy source when glucose is in short supply.


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Other organs 

The renal cortex is the only other tissue capable of gluconeogenesis

, and of

converting G6P to glucose.

The gluconeogenic capacity of the kidney is particularly important in

hydrogen ion homeostasis and

during prolonged fasting.

Other tissues, such as muscle, can store glycogen but, because they do
not contain glucose-6-phosphatase, they cannot release glucose from
cells and so can only use it locally; this glycogen plays no part in
maintaining the plasma glucose concentration

.




رفعت المحاضرة من قبل: Haider Abdullah
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