هضم الكربوهيدرات

اذاى حصل هضم للكربوهيدرات وان فى النهاية بيكون عندنا glucose, fructose and Galactose وتتبعنا مسار الجلوكوز وعرفنا انه بيروح للكبد عن طريق الوريد الكبدى البابى والمفروض هيحصله اكسدة فالكبد والعملية دى بنسميها glycolysis يعنى تحلل اوتكسير الجلوكوز وطبعا ده عشان نحصل على طاقة

قبل ما نبدا لازم نعرف الناس ايه هو الATP ده اختصار الى Adenosine Tri-Phosphate  وده ببساطة هو عملة الطاقة فالخلية والجسم كله ….اذاى؟ …. عشان فيه 3 جيزئات فوسفات كل واحدة فيهم لما تتكسر بدى طاقة كبيرة قوى ولذلك لما اجى اقول ان الخطوة رقم واحد مثلا اخدت جزئ فوسفات من جزئ ATP ده معناه ان الخطوة دى استهلكت طاقة

Glycolysis

A)  Definition:

It is the breakdown of glucose in the cell cytosol (= cytoplasm) producing pyrurate in the presence of oxygen or lactate in the absence of oxygen.

 هى تكسير الجلوكوز فى السيتوبلازم عشان يدينا pyruvate فى وجود الاكسجين او lactate فى غياب الاكسجين

───────────────────────────────────────────────────────────────────────

B)   Site:

Glycolysis occurs in cytoplasm but:

• In presence of O₂, oxidation of glucose is complete in mitochondria where pyruvate enters the kerb’s cycle and the electron transport chain to complete the oxidation of glucose resulting in a high amount of energy.

• In absence of O­₂, pyruvate is converted into lactate in the cytoplasm giving a small amount of energy but it is important to some tissue.

Therefore:

Occurrence of glycolysis is of physiological importance in:

1. Tissues with no mitochondria such as RBCs, cornea and lens.

2. Tissues with few mitochondria: Testis, leucocytes, medulla of the kidney, retina, skin and gastrointestinal tract

3. Tissues undergo frequent oxygen lack: skeletal muscles especially during exercise.

Where they depend only on the glycolysis not on kerbs cycle and the electron transport chain

الglycolysis اللى هى اكسدة الجلوكوز بتحصل فالسيتوبلازم ولكن ممكن تحصل فى وجود الاكسجين او فى غيابه بس فى حالة انها تحصل فى وجود الاكسجين لازم الpyruvate يروح الميتوكوندريا عشان يدخل فى الkerbs cycle والelectron transport chain عشان نكمل اكسدة الجلوكوز ونحصل منه على طاقة عالية … طيب اذاى يعنى … هو مشالglycolysis هى اكسدة الجلوكوز طيب اذاى هنكملها فسيكل تانية؟ …. الpyruvate ده عبارة عن 3 كاربون من جزء الجلوكوز والglycolysis بتنتهى عند تكوين الPyruvate بمعنى ان فى الglycolysis بيحصل اكسدة ل3 كاربونات فقط وبنحصل على طاقة من3 كاربونات فقط ولذلك الpyruvate اللى هو ال3 كاربونات الباقية بتكمل اكسدته فى الميتوكوندريا

ولكن فى حالة غياب  الاكسجين يتحول الpyruvate الى lactic acid or lactate ويدينا كمية طاقة قليلة جدا بس برضو مهمة لبعض الانسجة  ذى مثلا:

===> الانسجة اللى مفهاش ميتوكونديريا بتعتمد على كمية الطاقة القليلة دى عشان مشقدامها غير انها تحول الpyruvate الى الlactate   والانسجة اللى مفهاش ميتوكوندريا ذى كرات الدم الحمراء والقرنية والعدسات

===> ذيهم برضو الانسجة اللى فيهم عدد قليل من الميتوكوندريا ذى الطبقة اللى فيها النيفرونات فالكلية وكرات الدم البيضا والخصيتين وشبكية العين والجلد والجهاز الهضمى

===> كمان الانسجة اللى بتتعرض الى نقص اكسجين بصورة متكررة ذى مثلا العضلات وقت التمارين العنيفة ….طيب اذاى؟ …. مثلا فحالة التمارين الكتير العضلات تحتاج الى كمية طاقة كبيرة جدا وبالتالى الامداد بالاكسجين بيكون غير كافى فيكون قليل بالنسبة لكمية الاحتياج فلما يتاكسد الجلوكوز ونحصل منه على pyruvate هيتحول الى lactic acid عشان الاكسجين قليل وبالتالى الacidity هتزيد والpH هتقل وده هيصيب العضلة بالاجهاد وبالتالى فنقص او غياب الاكسجين الخلية تعتمد على الglycolysis فالسيتوبلازم ولاتعتمد على kerbs cycle فالميتوكونديريا.

───────────────────────────────────────────────────────────────────────

C)    Stages of glycolysis:

الglycolysis تتم فى 10 خطوات على مرحلتين كل مرحلة 5 خطوات واول ورحلة بتستهلك طاقة والتانية بتدى طاقة.

وطبعا الglycolysis تتم بعد فتح الgates  القولنا عليها عن طريق الانسولين

<<<<<<<Stage (I)>>>>>>>

It is the energy requiring stage

in this stage:

• One molecule of glucose is converted into two molecules of glyceraldehyde-3-phosphate.

• These steps consume 2 molecules of ATP .

Step one:

1.      Event: (glucose phosphorylation)­

===> A phosphate group is transferred from ATP molecule to the carbon number 6 in the glucose molecule forming glucose-6-phosphate, thus this step is energy consuming.

===> Glucose-6-phosphate is an intermediate forming an important branch point in the metabolism.

===> This step is fast irreversible step

يعنى جزء الجلوكوز بياخد مجموعة فوسفات فى الكربونة رقم 6 من جزء ATP البيتحول الى ADP وده معناه ان الخطوة دى بتستهلك طاقة والخطوة دى فتكون فاتجاه واحد يمعنى ان النواتج مينفعش يتفاعلو مع بعض تانى ويدونى جلوكوز

2.  Enzymes stimulating this step:

===> The enzymes used are either glucokinase or hexokinase enzymes which are responsible for entry of glucose into the cell and phosphorylation of glucose which lead to glucose trapping inside the cell, therefore this step is irreversible because if it is reversible the glucose-6-ph will return to glucose and could exit from the cell again.

===>They are activated after a carbohydrate rich meal for 2 hours to lower the glucose blood level.

NOTE: Kinase enzyme always add phosphate group on the substrate

بمعنى الانسولين يفتح الgates ذى ذى ماقولنا فى المحاضرة الاولى وينشط الانزيمات دى هتنشط وتساعد الجلوكوز عالدخول وتعمله phosphorylation اللى بتعمل trapping للجلوكوز يعنى بتحبسه جوة الخلية …. اذاى بقى؟؟ …. مجموعة الفوسفات هتذود الpolarity بتاعة الجلوكوز يعنى هتذود الشحنة بتاعته فهتخليه ميعرفش يخرج عشان مشهيعرف يعدى فى الجزء الnon-polar بتاع غشاء الخلية ذى ماقولنا المحاضرة الاولى برضو وبالتالى ميعرفش يخرج تانى من الخلية والgates مفتوحة وعشان كدة الخطوة دى سريعة و irreversible يعنى فاتجاه واحد عشان لو كانت فاتجاهين الg-6-p هيتحول لجلوكوز تانى وبالتالى الجلوكوز ممكن يخرج من الخلية والgates مفتوحة لان الgates دى هتفضل مفتوحة شوية لحد ماتدخل كمية من الجلوكوز يعنى هى مشبتّدخل  جزئ واحد وتقفل وراه وبالتالى لو معملناش الPhosphorylation وحبسنا الجلوكوز هيعرف يخرج تانى

What is the difference between Hexokinase and glucokinase? (click to open)

─────────────────────────

ٍStep 2:

1.   Event: (formation of fructose-6-phosphate from glucose-6-phosphate)­

Isomerization of glucose-6-phosphate to fructose 6-phosphate, I.e. a conversion of an aldose into a ketose by phosphoglucose isomerase.

It doesn’t need energy because it occurs spontaneosly.

2.   Enzymes stimulating this step: phosphoglucose isomerase.

NOTE: Isomerase enzyme always catalyzes the structural rearrangements.

فى الخطوة دى انزيم الisomerase الى وظيفته يعمل تعديل  فى شكل الجزء…. بيعمل ايه؟ …. بيشيل جزئ هيدروجين من الكربونة رقم 2   يعنى ذرة من الكربونة وذرة من الOH ويحول ال(C-OH) الى (C=O) ويحط جزئ الهيدروجين على الكربونة رقم 1 اللى هى مجموعة الالدهيد (CHO) يعنى هيحط ذرة هيدروجين على الكاربونة وواحدة على الO ويحول ال (H-C=O) الى(CH2OH)

─────────────────────────

Step 3:

a.  Event: (Phosphorylation of Fructose-6-phosphate to fructose-1,6-­bisphosphate)­

-  Phosphorylation of Fructose-6-phosphate by ATP to fructose-1,6-­bisphosphate (F-1 ,6-BP)

-   This step is irreversible.

b.  Enzymes stimulating this step: by phosphofructokinase (PFK)

طبعا قولنا فالخطوة الاولى ان الkinase بيضف مجموعة فوسفات على الجزئ وهيجيب الفوسفات ده منين؟ …. اكيد من جزئ ATP يعنى هيستهلك طاقة على الجزئ واسم الانزيم phosphofructokinase عشان هيضيف مجموعة فوسفات على الفركتوز بس كدة

─────────────────────────

step 4:

a. Event: (cleave of 6-carbon sugar into two 3-carbon fragments)­

-  Splitting of fructose-1,6-bisphosphate into tow 3-carbon fragments:

• Glyceraldehyde 3-phosphate (GAP)
• Dihydroxyacetone phosphate (DHAP)

-   Reversible under intracellular conditions

b.  Enzymes stimulating this step:

-  Aldolase. (This enzyme derives its name from the nature of the reverse reaction, an aldol condensation).

طبعا دى سهلة انه مجرد بيكسر الجزء الى مركبين كل واحد فيهم 3 كربونات والانزيم ده اسمه aldolase متاخد من اسم التفاعل العكسى اللى هو ال aldol condensation اللى فيه بيفاعل كيتون مع الدهيد فسموه aldolase

─────────────────────────

Step 5:

a.  Event: (isomerisation of (GAP) to (DHAP))­

-  Isomerisation of Glyceraldehyde 3-phosphate (GAP) to Dihydroxyacetone phosphate (DHAP)

-  It is fast reversible step.

b. Enzymes stimulating this step: triose phosphate isomerase (TPI or TIM).

c.  Importance of this step:

To get full energy from glucose molecules in other words to get energy from the 6 carbons. EXPLAIN?

-   The cell can’t oxidize DHAP to get energy from it , thus it will be lost as a waste product.

-    Thus, the cell will obtain energy from GAP only (i.e. from 3 carbon of the glucose), not from the 6-carbons.

-    But, the GAP will continue the glycolysis and give energy, while DAHP is not

-     Thus, in order to get energy from the 6-carbons of glucose, the DHAP must be converted to GAP

الDHAP ده مشمفيد وعبارة عن waste بالنسبة للخلية ولو الخلية اتخلصت منه يبقى هتاخد طاقة من 3 كربونات بس مش من الستة كلهم وبالتالى الافيد ان الDHAP يتحول الى الGAP عشان الGAP بيكمل الglycolysis

After this step we get 2 molecules of Glyceraldehyde 3-phosphate (GAP):

One form step 4 and one form step 5.

طبعا كدة هيكون عندنا جزيئين GAP واحد من الخطوة الرابعة وواحد من الخطوة الخامسة وخلينا فاكرين ده عشان لما نيجى نحسب جزيائات الATP فى الاخر نعرف نحسبهم صح

───────────────────────────────────────────────────────────────────────

<<<<<Stage (II)>>>>>

(The energy producing stage)

In this stage:

Tow moleculse of Glyceraldehyde 3-phosphate (GAP) is converted into two molecules of pyruvate producing 4 molecules of ATP.

 

─────────────────────────

Step 6

a.  Event: (Oxidation of glyceraldehyde 3-phosphate to 1,3-bisphosphoglycerate)

Conversion of glyceraldehyde-3-phosphate into 1,3-­bisphosphoglycerate (1,3-BPG), a reaction catalyzed by glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase.

b.  Enzymes stimulating this step: glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase.

Note that, the phosphate used in this step is inorganic phosphate.

The oxidation of the aldehyde to an acid is coupled to the reduction of NAD⁺ to NADH/H⁺

الNAD هنا فايدته عامل مؤكسد لان ذى ماكلنا عارفين ان كل عملية اكسدة لازم يقابلها اختزال وبالتالى الNAD هيحصلها اختزال بانها تاخد جزئ الهيدروجين من مجموعة الCHO بتاعة ال Glyceraldehyde 3-phosphate (GAP)

Importance of 1,3-bisphosphoglycerate:

- During the glycolysis inside the RBCs, part of the 1,3-bisphosphoglycerate is converted into 2,3-bisphosphoglycerate by the enzyme bisphosphoglycerate mutase

-   2,3-BPG decreases the affinity of Haemoglobin for Oxygen (i.e. decreases the attachment of O₂ to haemoglobin) thus the oxygen can leave hemoglobin easily and this is good in case of oxygen shortage because cells will be able to get their needs of O₂ easily even if the oxygen supply is low.

اثناء الglycolysis جزء من ال (1,3BPG) بيتحول الى (2,3BPG) …. طيب وايه يعنى هيفدنى بايه؟ ….. ال2,3BPG بيقلل قابلية الهيموجلبين فى كرات الدم الحمرا على الارتباط بالاكسجين وده معناه ان الاكسجين يقدر يسيب الهيوجلوبين بسهولة جدا وده هيفيد امتى؟… لما نكون فى منطقة مفهاش اكسجين عشان الخلايا بتبقى عايزة اكسجين كتير وتعالو نتخيل لو ال2,3BPG مشموجود والاكسجين قليل هيحصل ايه؟….. ارتباط الاكسجين بالهيموجلوبين هيكون قوى وده معناه ان الخلايا هيبقى صعب انها تاخد الاكسجين يعنى يبقى الاكسجين قليل والخلايا مشقادرة تاخده وال2,3BPG هو اللى بيحل المشكلة دى عن طريق انه يسهل على الخلايا انها تاخد الاكسجين.

Clinical and physiological aspects of 2,3-BPG تطبيقات للكلام اللى قولناه

1. smokers and people who live in high altitude, where the Hb increase in each RBC and the number of RBCs increase and increase the amount of 2,3-bisphosphoglycerate leading to decrease the affinity of Hb for O₂ causing dissociation of O₂ form Hb easily into the blood capillary and thus the cells takes its need easily.

2. Fetus gets oxygen form the mother thus fetal Hb has a high affinity for O₂because it has a plenty of O₂ from his mother, thus competing with the Hb of the mother because the oxygen leave the Mother Hb because of it low affinity and attach to the Fetus Hb which has a high affinity for the O₂.

3. The sotred blood for blood transfusion has diminished levels of 2,3-BPG, thus before transfusion of inosine or the glycolytic substrate dihydroxyphosphate to regenerate 2,3-BPG before blood transfusion because in absence of 2,3-BPG suffocation اختناق occurs.

ذى الناس المدخنين او اللى فى المناطق العالية الاكسجين بيبقى قليل فالمادة دى بتذيد عندهم عشان يسهل انفصال الاكسجين من الهيموجلوبين وبالتالى الانسجة تحصل عالاكسجين بسهولة

والجنين الاكسجين بيجيله من الام بسهولة لان الهيموجلوبين بتاع الام ارتباطه بالاكسجين قليل ويروح للجنين يعنى الجنين بيجيله الدم بسهولة وكتير يعنى معندوش نقص اكسجين فمشمحتاج لل2,3BPG عشان يقلل ارتباط الهيموجلوبين بتاع الجنين بالاكسجين وبالتالى مستوى ال2,3BPG فدم الجنين مشعالى لانه مشمحتاجه. 

و الدم المتخزن عشان نقل الدم بيقل فيه ال2,3-BPG ولو اتنقل الدم من غيره هيعمل اختناق عشان الاكسجين مشهيسيب الهيموجلوبين وبالتالى قبل النقل بنحط فالدم inosine or glycolytic dihydroxyacetone phosphate عشان ده بيتحول الى 2,3-BPG وبعد كدة ننقل الدم

───────────────────────────────────────

step 7:

a.  Event: (Conversion of 1,3-bisphosphoglycerate to 3­phosphoglycerate)

-  Conversion of 1,3-bisphosphoglycerate to 3-­phosphoglycerate

-  This step gproduce one ATP molecule.

b.  Enzymes stimulating this step: phosphoglycerate kinase.

هنا حد يسالنى …. احنا عندنا هنا انزيم Kinase يعنى فى مجموعة فوسفات هتتنقل طيب هى فعلا فى مجموعة فوسفات اختفت بس راحت فين؟….. الkinase هى نقل مجموعة الفوسفات من ال1,3BPG الى جزئ ADP عشان يدينا ATP  اللى هو بيتخون فيه الطاقة

Note that:

Formation of ATP from transferring a Phosphate group to ADP from organic substrate is called Substrate level phosphorylation.

Formation of ATP from by transferring a Phosphate group to ADP from NAD or FAD in the electron transport chain is called Oxidative phosphorylation.

─────────────────────────

Step 8:

a.   Event: (Conversion of 3-phosphoglycerate to 2­-phosphoglycerate)

Shifting the phosphate group from the carbon number 3 to the carbon number 2

a.   Enzymes stimulating this step: phosphoglycerate mutase.

The importance of this step is to make the compound suitable for the active site of the enolase enzyme.

NOTE: Mutase shifting of a functional group from one position to another within the same molecule

اهمية الخطوة ان يغير شكل المركب عشان يبقى مناسب للactive site بتاع انزيم الenolase اللى فى الخطوة الجاية ولو لاحظنا ان هنا حصل نقل مجموعة فوسفات من ذرة للتانية فنفس الجزئ يعنى تقريبا ممكن نسميها طفرة يعنى mutation يعنى هنستخدم انزيم اسمه mutase

─────────────────────────

ٍStep 9:

a.  Event: (2-Phosphoglycerate is dehydrated to form phosphoenolpyruvate)

The dehydration of the alcohol produces a double bond between carbons 2 and 3 and creates a high-energy enol phosphate linkage.

b.  Enzymes stimulating this step: enolase.

─────────────────────────

Step 10:

a.  Event: (Conversion of phosphoenol pyruvate to pyruvate)

Conversion of phosphoenol pyruvate to pyruvate producing one ATP molecule.

It is irreversible step.

b.  Enzymes Stimulating this step: Pyruvate Kinase (transfer Phosphate group from phosphoenolo-pyruvate to ADP molecule to produce one ATP Molecule)

فالخطوة دى برضو اتكون عندنا kinase يعنى هينقل مجموعة فوسفات وبالفعل هو نقل مجموعة فوسفات من الphosphoenolo-pyruvate الى جزئ ADP عشان يدينا جزء واحد من الATP.

───────────────────────────────────────────────────────────────────────

D)  Calculation of ATP molecules from glycolysis:

We know that we get from STAGE (I) 2 molecules of glyceraldehyde-3-phosphate and we know that each molecules when continue glycolysis in the STAGE(II) give 2 ATP molecule, thus the 2 molecule of glyceraldehyde-3-phosphate give 4 ATP molecules.

Also we know that the steps number 1 and 3 consume 2 molecule of ATP

Thus, the net product of ATP during glycolysis is 2 ATP

4 ATP form Stage (II) – 2 ATP from Stage (I) = 2 ATP

المرحلة الاولى  انتهت بجزئ glyceraldehyde-3-phosphate وجزئ dihydroxyacetonephosphate اللى اتحول الى Glyceraldehyde-3-phosphate يعنى كدة المرحلة الاولى انتهت بجزيئين من الG-3-P وفالمرحلة التانية شوفنا ان كل جزئ منهم بيدينا 2ATP يعنى الجزيئن هيدونا 4ATP 

واحنا استهلكنا 2ATP فى الخطوة الاولى والتالتة يبقى هنشيلهم من العدد الكلى يعنى هيبقى 4-2 يبقى كاننا حصلنا على 2ATP فى النهاية

───────────────────────────────────────────────────────────────────────

E)    Regulation of Glycolysis:

هنا هيتكلم على الحاجات اللى بتتحكم فى الglycolysis طبيعى ان مفيش اى سيكل فالجسم بتكون شغالة بدون تحكم

Glycolysis pathway is regulated by:

A) Control of 3 enzymes that catalyze the 3 irreversible steps of glycolysis:

1. Hexokinase (step 1),

2. Phosphofructokinase (step 3)

3. Pyruvate Kinase (step 10).

هنا بيتكلم عن الانزيمات اللى بتتحكم فى الglycolysis ….. لو لاحظنا ان ال3 انزيمات دول هما ال3 انزيمات اللى مسئولين عن ال3 خطوات الirreversible وبالتالى لو اى واحد فيهم مشموجود العملية ممكن ترجع للخلف فمثلا لو الhexokinase او الglucokinase مشموجود …. مشصهيحصل phosphorylation يعنى مشهيضيف عليه مجموعة فوسفات ويحبسه ذى ماقولنا وبالتالى هيخرج الجلوكوز تانى من الخلية

B) Energy regulation:

1. High level of ATP inhibits  phosphofructokinase (PFK-1) and pyruvate kinase.

2. High level of ADP and AMP stimulate PFK.

اى انزيم فالدنيا لما بيزيد تركيز الناتج بتاع التفاعل اللى بينشطه بيحصله هو تثبيط يعنى مبيشتغلش وعندنا هنا الATP لما يزيد يعنى لما الخلية تنتج وتخزن كمية كبيرة من الطاقة نلاقى ان الATP بيمنع الPFK والpyruvate kinase انهم يشتغلو وبالتالى بيوقف الglyolysis وكذلك الADP  بيعمل العكس يعنى لما تكون الطاقة قليلة يعنى معنديش ATP كتير هيزيد تركيز مين الADP او بمعنى اوضح لما الخلية تستهلك طاقة هيتحول  الATP الى ADP وبالتالى هيقل تركيز الATP ويزيد تركيز الADP ولما ده يحصل بيتنشط الPFK وبالتالى دى طريقة تنظم وتتحكم فى الglycolysis

C) Substrate regulation:

1.  Glucose-6-phosphate inhibits hexokinase (and not glucokinase).

2. Fructose 1,6 bisphosphate stimulates phosphofructokinase-1.

3. Citrate inhibits phosphofructokinase-1.

4. Fructose 1,6 bisphosphate stimulates pyruvate kinase.

نفس مبدأ اللى فوق ان المادة الناتجة تتحكم فى نشاط الانزيم اللى بينشط التفاعل وممكن يكون فى مواد تانية بتتحكم فيها ذى الcitrate …. اقرا ال4 جمل

D) Hormonal regulation:

1. Insulin: Stimulates synthesis of all key enzymes of glycolysis. It is secreted after meal (in response to high blood glucose level).

2. Glucagon: Inhibits the activity of all key enzymes of glycolysis. It is secreted in response to low blood glucose level.

هنا عايز يقولنا ان الinsulin لما يكون الجلوكوز عالى فالدم يتفرز من البنكرياس وينشظ كل الانزيمات الرئيسية وبالتحديد ال3 اللى قولنا عليهم وده بيحصل بعد الاكل اما بالنسبة للglucagon لما يكون السكر عالى فالدم فهو يطلع ويوقف كل الانزيمات الرئيسية اللى بتعمل الglycolysis عشان لو موقفتش السكر اللى فالدم هيفضل يقل يقل وطبعا ده ممكن يعمل  اغماء

                       
------------------------------------------ Best Wishes: Dr.Ehab Aboueladab, Tel:01007834123 Email:ehab10f@gmail.com,ehababoueladab@yahoo.com ------------------------------------------