คาร์�โบไฮเคร์ตเมแทบอลิ�ซึ�ม(Carbohydrate metabolism)

โดย

ผศ. ดร . คมศร ลมไธสง

ภาควิ�ชาช�วิเคม� คณะวิ�ทยาศาสตร�มหาวิ�ทยาล�ยขอนแก่"น

ปร์ะจำ�าเทอมต�น ป�การ์ศึ�กษา 2553

• Glycolysis

• Tricarboxylic acid cycle (TCA cycle)

• Glycogenolysis

• Glyconeogenesis

• Gluconeogenesis

• Electron transport and Oxidative phosphorylation

Topics

What is carbohydrate metabolism?

Carbohydrate metabolism :

the various biochemical processes responsible for the formation, breakdown and interconversion of carbohydrates in living organisms.

Disorder in carbohydrate metabolism involved in many diseases:Glycogen Storage Diseases

Galactosemia

Fructose Intolerance

Over weightObesity

Heart disease: High blood presure

Catabolism of glucose

Anaerobic glycolysis

lactate dehydrogenase ( LDH )

D-glucose + 6O2 +38ADP3- + 38Pi2- +38H+

6 CO2 +6H2O+38ATP4-

Complete Aerobic Oxidation of glucose

rate of ATP production from glycolysis is approximately 100X faster than from oxidative phosphorylation

Glycolysis

: is the metabolic pathway that converts glucose, C6H12O6,

into pyruvate, CH3COCOO− + H+.

: get free energy in forom of ATP (adenosine triphosphate)

and NADH (reduced nicotinamide adenine dinucleotide).

GlycolysisGlycolysis

-Fates of pyruvate

lactic acid (e.g. RBC, muscle cells)

Ethanol (e.g.yeast)

Acetyl CoA (most cells with O2)

Fates of pyruvate in RBC

Fates of pyruvate in brain cell

Glycolysis

-ปฏิ�ก�ร์�ยาใน glycolysis แบ"งออกเป$น 2 กลิ%"มใหญ่"

-endogonic reactions (reaction 1-4)

-exogonic reactions (reaction 5-10)

glycolysis pathway compose of 3 stages

1 Priming stage -To trap glucose within the cell use ATP

2 Splitting stage -To split six-carbon compound to 2 carbon compounds: from fructose 1,6-bisphophate to glyceraldehyde 3-phosphate

3 Oxidoreduction-phosphorylation stage glyceraldehyde 3-phosphate undergoes oxidoreduction-phosphorylation reaction : 4 ATP

Priming stage

Splittingstage

- Oxidoreduction phosphorylation

stage

Priming stage

Spitting stage

Oxidoreduction-phosphorylation stage

Glycolytic enzymes

1 Hexokinase

-hexokinase เป็$น isoenzyme

-hexokinase I, II,III ม� ค"า Km ป็ระมาณ 10-6 ถึ&ง 10-4 M

- hexokinase IV หร'อท�(เร�ยก่วิ"า glucokinase น�)นจะม�ค"า Km

ส+ง ก่วิ"าค'อป็ระมาณ 10-2 M

- hexokinase I, II,III สามารถึถึ+ก่ allosterically inhibited

ด,วิย G6P แต"ไม"ถึ+ก่ย�บย�)งใน glucokinase

-in liver cells, glucokinase has Km about 2-5 mM

(=blood glucose concentration)

2 glucose 6-phosphate isomerase

- เร"งก่ารเป็ล�(ยน glucose 6-phosphate (aldose) ไป็เป็$น fructose 6-phosphate (ketose)

-เอนไซม�น�)ม�ก่ารท1างานคล,ายคล&งก่�บเอนไซม�

triose phosphate isomerase (DHAP ก่�บ G3P)

3 Phosphofructokinase-1 (PFK-

1)

- ท1าให,เก่�ดผล�ตภ�ณฑ์�ค'อ fructose

1,6-bisphosphate

-เป็$นป็ฏิ�ก่�ร�ยาท�(ไม"ย,อนก่ล�บ

- fructose 6-phosphate เอนไซม�น�) เป็$น rate-limiting enzyme ท�(จะพา

เซลล�เข,าส+" glycolysis

4 Aldolase

-เก่�ด aldol cleavage

- เป็ล�(ยน hexose phosphate ให,ก่ลายมาเป็$น triose

phosphate น�(นค'อ glyceraldehyde 3-phosphate(G3P) และdihydroxyacetone phosphate (DHAP)

-เป็$นป็ฏิ�ก่�ร�ยาท�(ย�อนกลิ(บได้�

5 Triose phosphate isomerase

-เร"งก่ารเป็ล�(ยนก่ล�บไป็ก่ล�บมาของ dihydroxyacetone phosphate ก่�บ glyceraldehyde 3-phosphate

(DHAP G3P)

- เน'(องจาก่โมเลก่5ลของglyceraldehyde 3-phosphate เพ�ยง

เท"าน�)นท�(จะเข,าส+" glycolysis ในล1าด�บถึ�ดไป็ได,

6 Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase

-เร"งก่ารเก่�ด oxidation และป็ฏิ�ก่�ร�ยาก่ารเต�มหม+"ฟอสเฟสส+" glyceraldehye 3-phosphate ได, 1,3-bisphosphoglycerate

-NAD+ จะถึ+ก่ reduced ให,เป็$นNADH NADH น�)นจะท1าหน,าท�(เป็$นreducing agent ใน oxidative phosphorylation

-เป็$น exogonic reaction - พล�งงานน�)นจะถึ+ก่เก่7บไวิ,ในพ�นธะ acid-

anhydride ของ 1,3-bisphosphoglycerate

7 Phosphoglycerate kinase

- เร"งก่ารย,ายหม+ฟอสเฟตจาก่ 1,3-

bisphosphoglycerate ไป็ให,ก่�บADP ท1าให,เก่�ดผล�ตภ�ณฑ์�ค'อ ATP และ 3-

phosphoglycerate (oxidation และ phosphorylation)

- สร,าง ATP

- เก่�ดก่ระบวินก่าร substrate-level

phosphorylation

-เป็$นป็ฏิ�ก่�ร�ยาแร์ก ใน glycolysisท�(ม�ก่าร ผล�ต ATP

8 Phosphoglycerate mutase

-เร"ง ก่ารเก่�ด isomerization ของ3-phosphoglycerate ไป็เป็$น 2-

phosphoglycerate

-เอนไซม� mutase ม� activity คล,าย ก่�บ isomerase

- ไม"ม�ก่ารใช, ATP

-ต,องก่าร intermediate ค'อ 2,3-

bisphosphoglycerate (2,3BPG)

intermediate

9 Enolase

-เร"ง ก่ารเป็ล�(ยน 2-

phosphoglycerate เป็$นphosphoenolpyruvate

-เก่�ด dehydration ต1าแหน"ง C-2

และC-3 ของ 2-phosphoglycerate

10 Pyruvate kinase- เร"งก่ารย,ายของหม+"ฟอสเฟตจาก่

phosphoenolpyruvate มาให,ก่�บ ADP ได้� ATP

-ย,อนก่ล�บไม"ได้�-ถึ+ก่ควิบค5มโดย allosteric

modulator และโดย covalent modification (e.g. fructose 1,6-bis

phosphate as activator และ ATP as inhibitor)

การ์ควบค%ม glycolysis

ม�ก่ารศ&ก่ษาก่�นใน 2 ร+ป็แบบ 1 โดยศ&ก่ษา enzymology

2 โดยก่ารศ&ก่ษา metabolic pathway

ก่ารควิบค5ม glycolysis

A ก่ารควิบค5มก่ารน1าก่ล+โคสเข,าส+"เซลล�โดยhexose transporter

B ก่ารควิบค5มก่ารท1างานของ hexokinase

C ก่ารควิบค5มก่ารท1างานของphosphofructokinase-1

D ก่ารควิบค5มก่ารท1างานของ pyruvate

kinase

A การ์ควบค%มการ์น�ากลิ+โคสเข้�าส+"เซึลิลิ� โด้ย hexose transporter

(Glucose Transporting Protein)

-ก่ล+โคสถึ+ก่น1าเข,าเซลล�ด,วิย membrane-spanning glucose transporter

- ถึ+ก่ก่ระต5,นด,วิย insulin -ก่ล+โคสท�(เข,าส+"เซลล�จะถึ+ก่

phophorylated อย"างรวิดเร7วิ

B การ์ควบค%มการ์ท�างานข้องhexokinase

-glucose 6-phosphate สามารถึ ย�บย�)ง activity ของ hexokinase (I-III)

แต"ไม"ม�ผลต"อ glucokinase

-activity ของ glucokinase จะถึ+ก่ควิบค5มโดยระด�บของ fructose 6-

phosphate และ regulatory proteins

C การ์ควบค%มการ์ท�างานข้อง phosphofructokinase 1

-ควิามเข,มข,นของ ATP ม�ผลต"อก่ารท1างานของเอนไซม�

C การ์ควบค%มการ์ท�างานข้อง phosphofructokinase 1

-ควิามเข,มข,นของ ATP ม�ผลต"อก่ารท1างานของเอนไซม�

-ATP เป็$นจะ allosteric inhibitor

-AMP จะเป็$น allosteric activator

- feed back inhibition โด้ย citrate (จำากTCA cycle)

-PFK-1 ก่7จะถึ+ก่ย�บย�)งด,วิยhydrogen ions (สภาวิะท�( pH ต1(า)

-fructose 2,6-bisphosphate ก่7เป็$น activator ของ PFK-1 ด,วิย

PFK-2PFK-2

F 2,6 BPF 2,6 BP

การ์ควบค%ม glycolysis/gluconeogenesis

การ์ท�างานข้องเอนไซึม� bifunctional enzyme, phosphofructokinase-2 (PFK-2) (กร์ณี/ในเซึลิลิ�ต(บ)

- phosphofructokinase-2 จะเร"งก่ารสร,าง fructose 2,6-bisphosphate

-PFK-2 (bi-functional activity) จำะควิบค5มระด�บของ fructose 2,6 bisphosphate ให,คงท�(

-ก่ารก่ระต5,นด,วิย glucagon สามารถึเป็ล�(ยนเอนไซม� PFK-2 ไป็เป็$น fructose 2,6-bisphosphatase

- ส"งผลให, fructose 2,6 bisphosphate ก่7เก่�ด glycolysis ช,าลง

D การ์ควบค%มการ์ท�างานข้อง pyruvate

kinase

-จะถึ+ก่ก่ระต5,นด,วิย fructose 1,6-

bisphosphate

- ถึ+ก่ย�บย�)งด,วิย ATP -feed-forward activation by

fructose 1,6-bisphosphate

การ์เข้�าส+" glycolysis ข้องน�0าตาลิชน�ด้ต"างๆ

-จาก่ fructose แล,วิเป็ล�(ยนไป็เป็$นglyceraldehyde 3-phosphate

- จาก่ gaclactose จะถึ+ก่เป็ล�(ยนไป็เป็$นglucose 1-phosphate

- จาก่ mannose จะถึ+ก่เป็ล�(ยนไป็เป็$นfructose 6-phosphate

fructose แล,วิเป็ล�(ยนไป็เป็$น glyceraldehyde 3-phosphate

gaclactose จะถึ+ก่เป็ล�(ยนไป็เป็$น glucose 1-phosphate

mannose จะถึ+ก่เป็ล�(ยนไป็เป็$น fructose 6-phosphate

ควิามผ�ดป็รก่ต�ของ galactose

metabolism

-galactosemia เด7ก่จะไม"สามารถึ เป็ล�(ยน galactose ให,เป็$น glucose 6-

phosphate ได,-ขาด galactose 1-

uridylyltransferase

-เด7ก่จะม�ผ�วิออก่ส�เหล'อง

ควิามผ�ดป็รก่ต�ของ lactose metabolism

- ขาดเอนไซม� lactase

-ท1าให,เก่�ดสภาวิะ lactose intolerance

-lactose จะถึ+ก่ metabolized ด,วิย แบคท�เร�ยท�(อย+"ในล1าใส,ใหญ่" ท1าให,เก่�ดก่:าช

คาร�บอนไดออก่ไซด� และ H2 รวิมถึ&งก่รดต"างๆ- ท,องเส�ย- ก่�นโยเก่�รต ไม"ท,องเส�ย เน'(องจาก่

lactose ในโยเก่�รตในได,ถึ+ก่ย"อย ไป็บางส"วิน แล,วิด,วิยเอนไซม� -galactosidase

The Citric Acid Cycle-The citric acid cycle หร'อท�(

เร�ยก่วิ"า tricarboxylic acid cycle หร'อ Krebs cycle -เร�(มด,วิยก่าร metabolize ของ

pyruvate ด้�วยปฏิ�ก�ร์�ยา oxidative decarboxylation ได, CO2 และ Acetyl CoA

-acetyl CoA เป็$นสารเร�(มต,นท�(จะเข,าส+" TCA cycle

การ์เข้�าส+"ไมโตคอนเด้ร์/ยข้อง pyruvate

-pyruvate จะเข,าส+"เย'(อช�)นในของ mitochondria โดยผ"าน porins

-pyruvate translocase จะเร"งก่ารย,าย pyruvate เข,าส+" matrix

-ใน matrix, pyruvate จะถึ+ก่ oxidized

ไป็เป็$น acetyl CoA

การ์เปลิ/3ยน pyruvate ไปเป$น acetyl CoA

- เร"งด,วิยเอนไซม� pyruvate dehydrogenase complex (เป็$น multienzyme complex)

Pyruvate dehydrogenase complex ป็ระก่อบด,วิย

pyruvate dehydrogenase (E1)

dihydrolipoamide acetyltransferase (E2)

dihydrolipoamide dehydrogenase (E3)

ท(0ง ท(0ง NADH NADH ((33)) แลิะแลิะ FADHFADH22 ((11)) จำะเข้�าส+" จำะเข้�าส+" oxidative phosphorylation

oxidizoxidiz NADH NADH ให� ให� ATP ATP 3 3 โมลิโมลิ

FADHFADH22 ให� ให� ATP ATP 2 2 โมลิโมลิ

Oxidize Oxidize pyruvatepyruvate ใน ใน TCA cycleTCA cycle ให� ให� ATP ATP 12 12 โมลิโมลิ

เอนไซึม�ท/3เก/3ยวข้�องใน Krebs cycle

เอนไซึม�ท/3เก/3ยวข้�องก(บ TCA cycle1 citrate synthase2 Aconitase 3 isocitrate dehydrogenase 4 -ketoglutarate dehydrogenase complex 5 succinyl-CoA synthetase6 Succinate dehydrogenase complex7 Fumarase8 Malate dehydrogenase

1 citrate synthase เร"งป็ฏิ�ก่�ร�ยาก่ารรวิมก่�นของ acetyl CoA

ก่�บ oxaloacetate ท1าให,เก่�ด citrate และcoenzyme A

2 Aconitase- เร"งป็ฏิ�ก่�ร�ยาก่ารเป็ล�(ยนของ citrate ไป็เป็$น isocitrate

3 isocitrate dehydrogenase- เร"ง oxidative decarboxylation ของ isocitrate

- สร,าง -ketoglutarate

4 -ketoglutarate dehydrogenase complex

-คล,ายก่�บป็ฏิ�ก่�ร�ยาท�( เร"งด,วิยpyruvate dehydrogenase complex

- ได, succinyl CoA

5 succinyl-CoA synthetase-เป็$นป็ฏิ�ก่�ร�ยาก่ารเป็ล�(ยน succinyl

CoA ไป็เป็$น succinate - เป็$น substrate-level

phosphorylation

6 Succinate dehydrogenase complex

- อย+"ในเย'(อช�)นในของ mitochondria- complex จะม� FAD เป็$น

prosthetic group

7 Fumarase- เร"งก่ารเป็ล�(ยน fumarate ให,ไป็เป็$น malate

8 Malate dehydrogenase - ป็ฏิ�ก่�ร�ยา oxidation ของ malate ไป็เป็$น oxaloacetae - สร,าง NADH

การ์ควบค%ม TCA cycle-ควิบค5มก่ารเป็ล�(ยน pyruvate ไป็เป็$น

acetyl CoA โดย pyruvate dehydrogenase complex

-acetyl CoA จะย�บย�)งก่ารท1างานของ E2

-NADH จะย�บย�)ง E3- E1 ถึ+ก่ควิบค5มโดย kinase แลิะ

phosphatase เอนไซม�อ�ก่ทอดหน&(ง

การ์สลิายไกลิโคเจำน (glycogenolysis)- สลายไก่ลโคเจนจะได, glucose 1-phosphate

-glucose 1-phosphate ก่7จะถึ+ก่เป็ล�(ยนไป็เป็$น glucose 6-phosphate

-ในเซึลิลิ�กลิ�ามเน40อ glucose 6-phosphate จะเข,าส+" glycolysis ต"อไป็

-ในเซึลิลิ�ต(บ glucose 6-phosphate จะ ถึ+ก่เป็ล�(ยนไป็เป็$น glucose และจะถึ+ก่ล1าเล�ยง

ไป็ให,อวิ�ยวิะอ'(นๆ

เอนไซึม� glycogen phosphorylase - ย"อยสลาย polysaccharide ได, glucose 1-phosphate ไม"ใช" free glucose

- เร"งก่ารย,ายก่ล+โคสจาก่ nonreducing end ของแป็<ง

-interconvertible enzyme

Glucose 1-phosphate เป็ล�(ยนไป็เป็$น Glucose 6-phosphate

การ์ส(งเคร์าะห� glycogen- ก่ล+โคสจะถึ+ก่เป็ล�(ยนมาเป็$น glucose 6-

phosphate

-แล,วิเร"งด,วิย เอนไซม� glycogen

synthase

- เร"งก่ารเต�มก่ล+โคสให,แก่"nonreducing end ของ glycogen

เอนไซึม�อ43นท/3ม/ความส�าค(ญ่ในการ์ส(งเคร์าะห�ไกลิโคเจำน

-amylo-(1,4 1,6)-

transglycosylase

- เร"งก่ารสร,างแขนงของไก่ลโคเจน

ฮอร์�โมนควบค%มไกลิโคเจำน metabolism

insulin ก่ระต5,นก่ารน1าก่ล+โคสเข,าส+"เซลล�

glucagon ก่ระต5,นก่ารสร,างก่ล+โคส

การ์ท�างานร์"วมก(นข้อง glycogen phosphorylase แลิะglycogen synthase ในการ์ควบค%มไกลิโคเจำนเมแทโบลิ�ซึ�ม

การ์ส(งเคร์าะห�กลิ+โคส(gluconeogenesis)

- จะป็ระก่อบไป็ด,วิยป็ฏิ�ก่�ร�ยาท�(ย,อนก่ล�บก่�บglycolytic pathway

- พบวิ"าม�เอนไซม�อ�ก่แค" 3 ชน�ดท�(พบ เฉพาะใน gluconeogenesis จะข,ามข�)น

ตอนท�(เป็$น irreversible reaction

ของ glycolysis pyruvate kinase,

phosphofructokinase-1 แลิะhexokinase

ม�ก่ารใช, ATP 4 โมเลก่5ล และ GTP 2 โมเลก่5ล และ NADH 2 โมเลก่5ล

สาร์ต�นตอส�าหร์(บการ์ส(งเคร์าะห�กลิ+โคสA) Lactate B) Amino acidC) glycerol

A) Lactate

-lactate จะถึ+ก่เป็ล�(ยนไป็เป็$นpyruvateโดยเอนไซม� lactate

dehydrogenase

- เร�ยก่ก่ระบวินก่ารก่ารน1า lactate

มาท�(ต�บและเป็ล�(ยนเป็$นก่ล+โคสเร�ยก่วิ"า Cori cycle

-ต,องก่ารพล�งงาน

A) Amino acid

- ในระหวิ"างก่ารอดอาหาร หร'อก่าร ขาดแคลนไก่ลโคเจน กร์ด้อะม�โนจะท1า

หน,าท�( เป็$นแหล"งคาร�บอนหล�ก่ในขบวินก่ารก่ารส�งเคราะห�ก่ล+โคส-เก่�ดก่ระบวินก่าร transamination

(ก่ารย,ายหม+"อะม�โน)

- e.g. glucose-alanine

cycle

การ์เก�ด้ transamination ข้อง pyruvate

alanine จะถึ+ก่ล1าเล�ยงเข,าส+"ต�บและจะเก่�ดtransamination ก่�บ -ketoglutarate ท1าให,

ได, pyruvate

C) glycerol-triacylglycerol จะท1าให,ได,

glycerol และ acetyl CoA-acetyl CoA ไม"สามารถึจะเป็$น

สารต,นตอส1าหร�บก่ารส�งเคราะห�ก่ล+โคสได,

-เก่�ดก่ระบวินก่าร glycerol

phosphate shuttle

การ์ควบค%ม gluconeogenesisการ์ควบค%ม gluconeogenesis

เก�ด้ข้�0นใน 2 ป็ฏิ�ก่�ร�ยาท�(ส1าค�ญ่ ค'อก่ารเวิ�ยน ก่ล�บของส�บสเตรตระหวิ"าง

1) pyruvate แลิะphosphoenolpyruvate

2) fructose 1,6-bisphosphate แลิะ fructose

6-phosphate

การ์ควบค%ม gluconeogenesis

The Pentose Phosphate Pathway

หร์4อเร์/ยกว"า hexose monophosphate shunt

- utilizes the6 carbons of glucose to generate5 carbon

sugars and reducing equivalents

-NADPH (pyridine nucletide coenzyme)

-ribose 5-phosphate ( ใช�ในการ์ส(งเคร์าะห�

ribonucleotides แลิะอน%พั(นธ์�)

NADPNADP++/NADPH/NADPH• fatty acid biosynthesis and steroid biosynthesis

• liver, adipose tissue, adrenal cortex, testis and lactating

mammary gland have high levels of the PPP enzymes

• erythrocytes utilize the reactions of the PPP to generate large

amounts of NADPH used in the reduction of glutathione

• The conversion of ribonucleotides to deoxyribonucleotides

(through the action of ribonucleotide reductase ) requires NADPH

as the electron source, therefore, any rapidly proliferating cell

needs large quantities of NADPH .

glutathione reductase can reduce GSSG to two melecule can reduce GSSG to two melecule of GSH, also need NADPH as co-factorof GSH, also need NADPH as co-factor

pentose phosphate pathway จะแบ"งได,เป็$น 2 ระยะค'อ

oxidative stage -NADPH จะถึ+ก่ผล�ต- ในขณะท�( glucose 6-

phosphate ถึ+ก่เป็ล�(ยน ไป็ เป็$นสารป็ระก่อบท�(ม�คาร�บอน 5

โมเลก่5ล (ribose 5-phosphate)

nonoxidative stage - ส"วินใหญ่"เป็$น reversible

reactions

-เก�ด้ isomerization by transkelation

3glucose 6-phosphate + 6NADP+ + 3H2O2fructose 6-phosphate + glyceraldehyde 3-phosphate+ 6NADPH + 3 CO2 + 6H

+

สร์%ปสมการ์ข้อง Pentose Phosphate Pathway

Electron transport and Oxidative Phosphorylation

เป็$นก่ารใช, NADH และ QH2 (ubiquinol) (ท�(ได,จาก่ TCA cycle)

โดยก่ารเก่�ด oxidation ผ"าน enzyme complex

ได, ATP (ด,วิยเอนไซม� ATP synthase)

iron-protoporphyrin IX also

called heme b.

electrons originating from NADH and passing to oxygen supports production

of 3 equivalents of ATP, while 2 electrons from succinate support the prod

uction of only 2 equivalents of ATP

Complex V or FoF1 ATP synthase

1F ATP synthase as a rotaryeeeeee eeeeeee eee eeeeeeeee ee ATP.