1. دكتورمحمد عبده مسلم أستاذ بيئة وفسيولوجيا الميكروبات المشارك قسم النبات والأحياء الدقيقة كلية العلوم جامعة لملك سعود

2. تعريف الكربوهيدرات
هي مركبات عضويه تتكون من الكربون , الهيدروجين و الاوكسجين (CHO)
هي عبارة عن الدهيدات أو كيتونات متعدد الكربوكسيل أو مواد تنتج عند تحلل هذه المركبات تحللا مائيا.
الدهيد
كيتون

3. الصيغه العامه [CH2O]n n= 3-7 (تمثل عدد ذرات الكربون )
نسبة الهيدروجين الى الاوكسجين كنسبة وجودهم في الماء 2:1
بعض انواع الكربوهيدرات تحتوي على N, P or S

4. الوظيفه مصدر للطاقه خلال احتراقها
مصدر للكربون في عملية تكوين مركبات الخلويه الأخرى
كمخزن كبير للطاقه الكيمايئيه
كعناصر تركيبيه للخلايا و الأنسجه

5. تقسيم الكربوهيدرات
تقسم الكربوهيدرات تبعا لعدد جزيئات السكريات البسيطه التى تنتج عند تحللها نهائيا
السكريات الأحاديه
السكريات قليلة الوحدات
السكريات متعدده

6. سكريات أحاديه
ابسط انواع السكريات تتكون من جزيء واحد فقط , ولا ينتج من تحللها مواد ابسط منها
كل جزيء يحتوي على 3 – 7 ذرات كربون
تصنف السكريات الاحادية على اساس عدد ذرات الكربون ونوع المجموعة الوظيفية في الجزيء
تحتوي كل ذرة كربون عدا واحده على مجموعة هيدروكسيل وتحتوي ذرة الكربون الباقيه على مجموعة كربونيل
اما الدهيد ويسمى الدوز او كيتون ويطلق عليه كيتوز

7. تقسيم السكريات الأحاديه
سكر ثلاثي C3H6O3
ابسط السكريات الأحاديه
مثال: الجليسر لدهايد هو سكر ثلاثي الدوزي
الدايهيدروكسي أستون وهو سكر كيتوزي ثلاثي

8. سكر رباعي C4H8O4 مثال الأريثروز Erythrose سكر خماسي C5H10O5
مثال الريبوز Ribose (الدهيدي) و الرابيولوزRiboulose (كيتوني)
لها اهميه في تكوين الأحماض النوويه و السكريات المتعدده

9. سكر سداسي C6H12O6 مثال : الفركتوز (سكر الفاكهه) أكثر السكريات انتشارا
الجلوكوز (سكر العنب)
الجلاكتوز
أكثر السكريات انتشارا
كيتوز
ألدوز
D-Fructose
D-glucose

10. سكر سباعي
C7H14O7
عباره عن مواد وسطيه في التفاعلات الحيويه للكربوهيدرات
مثال السودوهيبتيلوز تم اكتشافه في بعض النيتات ويتكون في الأنسجه الحيويه كمركبات فوسفاتيه.

11. المشتقات الحيويه المهمه للسكريات الأحاديه
السكريات الفوسفاتيه : تستخدم كنواتج وسطيه مهمه أثناء التفاعلات الحيويه للكربوهيدرات
مثال ألفا-د-جلوكوز-6-حامض الفوسفوريك
ألفا-د-جلوكوز-1-حامض الفوسفوريك

12. السكريات الأمينيه الاحماض السكريه
تحتوي على مجموعة أمين محل مجموعة هيدروكسليز
مثال د-جلوكوزأمين حيث تكون مجموعة الأمين في المجموعه الثانيه .
الاحماض السكريه
تنتج من أكسدة ذرة الكربون الألديهيديه الى مجموعة كربوكسيل أو ذرة الكربون الحاملة للكحول الطرفي C6
مثال : فيتامين ج (حامض الأسكوربك اسد).
سكريات كحوليه: تنتج من اختزال مجموعة الكربونيل في السكريات الأحاديه تحت ظروف معينه (مثال السوربيتول)

14. بعض الخواص المهمه عن السكريات الاحاديه
تستطيع مجموعة الألدهايد والكيتون كيميائيا اختزال مركبات أخرى لذلك تسمى السكريات الأحاديه بالمختزله
تقسم السكريات الأحاديه الى سكريات يمينية او يساريه على حسب وضع مجموعة الهيدروكسيل على ذرة الكربون المجاوره للكحول وهى الكربون (5) في الجلوكوز و الكربون (2) في الجليسر الدهيد
اذا وجدت في اليمين يرمز لها (D)
وإذا وجدت في اليسار يرمز لها (L)
معظم السكريات الاحاديه الموجوده في الجسم وفي الطبيعه تكون يمينيه (D)

15. تكوين الرابطه الجلاكوسيديه

17. كذلك ترتبط السكريات الثنائيه والثلاثيه و المتعدده بواسطه روابط الجلاكيوسيديه
وبسبب الشكل الثلاثي الأبعاد للسكريات الاحاديه فان الرابطه الجلاكيوسيديه ممكن ان تعمل عند اي من الزاويتين تسمى ألفا و بيتا .

18. السكريات الثنائيه
سكريات ثنائية : تتكون من ارتباط جزيئين من السكريات الاحادية برابطة كيميائية تساهمية . ويتحلل الجزيء الواحد فيها مائيا ليعطي جزيئين من السكريات الاحادية . امثلة : السكروز ( سكر القصب ) : يتكون من جزيئين الاول جلوكوز والثاني فركتوز . اللاكتوز ( سكر الحليب ) : يتكون من جزيئين ايضا الاول سكروز والثاني جلاكتوز . المالتوز ( سكر الشعير ) : يتكون من جزيئين جلوكوز الفا وبيتا .
جزي السكريت الثنائيه يعتبر ناتج من تكثيف 2 جزي من السكر الأحادي مع نزع جزي واحد من الماء.
Cn(H2O)n-1 الصيغه العامه

19. سكريات الثلاثيه Cn(H2O)n-2 الصيغه العامه
يمكن اعتبار جزئ السكريات الثلاثيه ناتج عن تكثيف ثلاثة جزيئات من السكر الأحادي مع نزع جزئين من الماء
3(C6H12O6)-2H2O→ C18H32O16
مثال : الرافينوز

20. السكريات المتعدده
جزيئات كبيرة من الكربوهيدرات يتحلل الجزيء الواحد منها مائيا الى عدة جزيئات من السكريات الاحادية
(C6H10O5)n
السكريات المتعدده في الطبيعه تكون ذات أوزان جزيئيه عاليه
تتكون السكريات من سلاسل طويله جدا مستقيمه أو متفرعه
X(C6H12O6) -H2O→ (C6H12O6)x
تتنتج من تكثيف العديد من السكريات الأحاديه مع نزع جزي الماء.

21. ( هدم ) الكربوهيدرات
تعتبر الكربوهيدرات من أهم مصادر الطاقة في جميع الكائنات الحية وتتبع الكائنات طريقتين لإنتاج الطاقة من الكربوهيدرات حيث تهضم وينتج مركب الجلوكوز الذي يدخل عمليات التنفس :
1- التنفس اللاهوائي ( التخمر ) Anaerobic respiration
يتم في عدم وجود الاكسجين وتعطي أثنين من مركبات الطاقة ATP
الجلوكوز في هذا التنفس ينتقض ضمن سلسلة من التفاعلات متحولة الى حمض البيروفيك Pyruvic acid
- في الكائنات الدقيقة تكون محصلة التنفس اللاهوائي : طاقة مخزنة في ( ATP ) + كحول أيثيلي
- في عضلات الكائنات الراقية تكون محصلة التنفس اللاهوائي : طاقة مخزنة في ( ATP ) + ماء + حمض اللبن Lactic acid
2- التنفس الهوائي Aerobic respiration
يتم في وجود الاكسجين وتعطي 38 من مركبات الطاقة ATP
الجلوكوز في هذا التنفس ينتقض ضمن سلسلة من التفاعلات متحولة الى حمض البيروفيك Pyruvic acid الذي يتحول الى خلات مرافق الانزيم أ Acetyl CoA الذي يدخل الى دورة كربس ليعطي : الطاقة + الماء + ثاني أكسيد الكربون .
- تتم العملية في الميتوكوندريا في معظم الكائنات الحية .

26. Hexokinase reaction: phosphorylation of hexoses (mainly glucose)
This enzyme is present in most cells. In liver Glucokinase is the main hexokinase which prefers glucose as substrate.
It requires Mg-ATP complex as substrate. Un-complexed ATP is a potent competitive inhibitor of this enzyme.
Enzyme catalyses the reaction by proximity effect; bringing the two substrate in close proximity.
This enzyme undergoes large conformational change upon binding with Glucose. It is inhibited allosterically by G6P.

27. 2. Phosphoglucose Isomerase or Phosphohexose Isomerase: Isomerization of G6P to Fructose 6 phosphate.
This enzyme catalyzes the reversible isomerization of G6P (an aldohexose) to F6P (a ketohexose).
This enzyme requires Mg ++ for its activity.
It is specific for G6P and F6P.

28. 3. Phosphofructokinase-1 Reaction: Transfer of
phosphoryl group from ATP to C-1 of
F6P to produce Fructose 1,6 biphosphate.
This step is an important irreversible, regulatory step.
The enzyme Phosphofructokinase-1 is one of the most complex
regulatory enzymes, with various allosteric inhibitors and
activators.
ATP is an allosteric inhibitor, and Fructose 2,6 biphosphate
is an activator of this enzyme.
IV. ADP and AMP also activate PFK-1 whereas citrate is an inhibitor.

29. 4. Aldolase Reaction: Cleavage of Fructose 1,6 biphosphate into glyceraldehyde 3 phosphate (an aldose) and dihydroxy acetone phosphate (a ketose).
This enzyme catalyses the cleavage of F1,6 biphosphate by aldol condensation mechanism.
As shown below, the standard free energy change is positive in the forward direction, meaning it requires energy. Since the product of this reaction are depleted very fast in the cells, this reaction is driven in forward direction by the later two reactions.

30. 5. Triose phosphate mutase reaction: Conversion of Dihydroxyacetone phosphate to glyceraldehyde 3 Phosphate.
I. This a reversible reaction catalysed by acid-base catalysis in which Histidine-95 and Glutamate -165 of the enzyme are involved.

31. 6. Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase reaction (GAPDH): Conversion of GAP to Bisphosphoglycerate.
This is the first reaction of energy yielding step. Oxidation of aldehyde derives the formation of a high energy acyl phosphate derivative.
An inorganic phosphate is incorporated in this reaction without any expense of ATP.
NAD+ is the cofactor in this reaction which acts as an oxidizing agent. The free energy released in the oxidation reaction is used in the formation of acylphosphate.

32. The mechanism of GAPDH reaction:
Evidence for the mechanism;
Iodoacetate inhibits this reaction, indicating the involvement of Cysine residue of enzyme.
Tritium from GAP is transferred to NAD, indicating transfer of hydide ion in oxidation reaction.
32P exchanges with PO4- - indicating acyl enzyme intermediate.
Steps in reaction mechanism:
Glceraldehyde 3 phosphate (GAP) binding to the enzyme.
Nucleophilic attack by SH gp (sulfhydril gp) on CHO gp forming a thiohemiacytal.
Direct transfer of hydride to NAD+ leading to the formation of thioester. Energy of this oxidation is conserved in synthesis of thioester and NADH.
Another molecule of NAD+ replaces NADH from enzyme site.
Nucleophilic attack on thioester by PO4– - to form 1,3 bisphosphoglycerate

34. 7. Phosphoglycerate kinase Reaction: Transfer of phosphoryl group fron 1,3 bisphosphoglycerate to ADP generating ATP.
The name of this enzyme indicates its function for reverse reaction.
It catalyses the formation by proximity effect. ADP-Mg bind on one domain and 1,3BPG binds on the other and a conformational change brings them together similar to hexokinase.
This reaction and the 6th step are coupled reaction generating ATP from the energy released by oxidation of 3-phosphoglyceraldehyde.
This step generates ATP by SUBSTRATE-LEVEL PHOSPHORYLATION.

35. 8. Phosphoglycerate Mutase Reaction: Conversion of 3-phosphoglycerate to 2-phosphoglycerate (2-PG).
In active form, the phosphoglycerate mutase is phosphorylated at His-179.
There is transfer of the phosphoryl group frm enzyme to 3-PG, generating enzyme bound 2,3-biphosphoglycerate intermediate. This compound has been observed occasionally in reaction mixture.
In the last step of reaction the phosphoryl group from the C-3 of the intermediate is transferred to the enzyme and 2-PG is released.
In most cells 2,3BPG is present in trace amount, but in erythrocytes it is present in significant amount. There it regulates oxygen affinity to hemoglobin.

38. 9. Enolase Reaction: Dehydration of 2-phosphoglycerate (2-PG) to phosphoenolpyruvate (PEP).
Dehydration of 2-PG by this reaction increases the standard free enrgy change of hydrolysis of phosphoanhydride bond.
Mechanism: Rapid extraction of proton from C-2 position by a general base on enzyme, generating a carbanion. The abstracted proton is readily exchanges with solvent.
The second rate limiting step involves elimination of OH group generating PEP

39. 10. Pyruvate Kinase Reaction: Transfer of phosphoryl group from PEP to ADP generating ATP and Pyruvate.
This is the second substrate level phosphorylation reaction of glycolysis.
This enzyme couple the free enrgy of PEP hydrolysis to the synthesis of ATP
This enzyme requires Mg++ and K+

41. Energetics and products of Glycolysis:
From one molecule of Glucose:
1Gl+2ATP+2NAD++ 4ADP+ 4Pi = 2pyruvate+2NADH+4ATP+ 2ADP+ 2Pi
After balancing: 1Gl + 2NAD++ 2ADP + 2Pi = 2pyruvate+2ATP + 2NADH
2 molecules of ATP generated can directly be used for doing work or synthesis.
The 2 NADH molecules are oxidized in mitochondria under aerobic condition and the free energy released is enough to synthesize 6 molecules of ATP by oxidative phosphorylation.
Under the aerobic condition, pyruvate is catabolized further in mitochondria through pyruvate dehydrogenase and cytric acid cycle where all the carbon atoms are oxidized to CO2. The free energy released is used in the synthesis of ATP, NADH and FADH2.
Under anaerobic condition: Pyruvate is converted to Lactate in homolactic fermentation or in ethanol in alcohalic fermentation.

43. Homolactic Fermentation:
In an anaerobic condition or in the need of sudden need of high amount of ATP, glycolysis is the main source for generation of ATP.
NAD+ is one of the crucial cofactor required for GAPDH reaction. In order to regenerate NAD+ from the reduced form (NADH), this reaction takes place in muscle cells.
Lactate dehydrogenase (LDH) reduces pyruvate to lactate using NADH and thereby oxidizing it to NAD+ .
Other than regenerating NAD+ for running GAPDH reaction, LDH reaction is a waste of energy, and its product lactic acid brings the pH lower and causes fatigue.

44. Glycolysis can generate sudden burst of ATP without oxygen, using glucose and glycogen storage of muscle and liver.
NAD+ is regenerated by lactic fermentation to carry out GAPDH reaction of glycolysis.

50. Fermentation Releases energy from sugars or other organic molecules.
Does not require oxygen, but may occur in its presence.
Does not require Krebs cycle or an electron transport chain.
Final electron acceptor is organic molecule.
Inefficient. Produces a small amount of ATP for each molecule of food. (1 or 2 ATPs)
End-products may be lactic acid, alcohol, or other energy rich organic compounds.
Lactic Acid Fermentation: Carried out by Lactobacillus and Streptococcus. Can result in food spoilage. Used to make yogurt, sauerkraut, and pickles.
Alcohol Fermentation: Carried out by yeasts and bacteria.

51. Fermentation is Less Efficient Than Aerobic Respiration

52. Alcohol and Lactic Acid Fermentation

53. Fermentation: Generates Various Energy Rich, Organic End-Products

54. Thank You