biochemistry tutorial (นศพ.ปี 3)
TRANSCRIPT
BIOCHEMISTRY TUTORIAL
download ไดที่ homepage ของภาควิชาhttp://www.si.mahidol.ac.th/department/biochemistry/home/
Session I – 21 กุมภาพันธ 2550
Overview: Carbohydrate metabolism
Lipid metabolism
GlycolysisGluconeogenesisGlycogenesisGlycogenolysisPentose phosphate pathway
LipogenesisLipolysisKetogenesisKetolysisCholesterol synthesis
Amino acid metabolism DeaminationTransaminationUrea cycle
• oxidation ของสารอาหารเปนขบวนการสําคัญในการสรางพลังงานในสิ่งมีชีวิต
Glucose
Fatty acids + O2
CO2
H2O
ATPATP
heat
Amino acid
Carbohydrate 4 kcal/gFat 9 kcal/gProtein 4 kcal/g
AMINO ACID
Krebs cycle
OVERVIEW OF METABOLISM
Electron transport system ใน mitochondria
NADH + H+NAD+
FADH2
O2
H2O
ATPADP + Pi
AMINO ACID
OVERVIEW OF METABOLISM
Krebs cycle
OVERVIEW OF METABOLISM
Term สําคัญที่ควรรู
AMINO ACID
Krebs cycle
GlycolysisGluconeogenesis
GlycogenesisGlycogenolysis
Pentose phosphate pathway
LipogenesisLipolysis
KetogenesisKetolysis
Cholesterol synthesis
DeaminationTransamination
Fed stateFed state Fasting stateFasting state
Dietary intake
glucose glucose
• restore foodstuff(e.g. glycogen, fat, protein)
• release foodstuff(e.g. glucose, fatty acid, amino acid)
GluconeogenesisGlycolysis
GlycogenolysisGlycogenesis
Lipolysis, KetogenesisLipogenesis
Protein synthesis Protein breakdown
INSULIN glucagon, epinephrinegrowth hormone, cortisol
OVERVIEW OF METABOLISM
FED STATEFED STATE
• Insulin - หลั่งจาก beta cell ใน islet of Langerhan ของตับออน
• ถูกกระตุนไดจากสารหลายชนิด (neurotransmitter, neuropeptide, amino acid) และที่สําคัญคือ glucose
GLUCOSE TRANSPORT
• Insulin มีฤทธิ์ลดน้ําตาลในเลือดที่เพิ่มสูงขึ้นหลังอาหารโดย
การนําเขา glucose เขาสูเซลล เชน adipose tissue, muscle
* insulin-independent glucose transport in brain, liver, kidney, RBC
Glucose
GLUT 1, GLUT 3 : basal glucose uptake ในเนื้อเยื่อสวนใหญ เชน brain, nerve, RBC
GLUT 2 : liver และ beta cells ของ islet
GLUT 4 : insulin-stimulated glucose uptake พบที่ adipose tissue และ กลามเนื้อ
*** ในกลามเนื้อเมื่อมีการออกกําลัง จะมี GLUT4 เพิ่มมากขึ้นที่ cell membrane เพื่อนํา glucose เขาเซลล โดยไมตองอาศัยฤทธิ์ของ insulin
Glucose
GLUCOSE TRANSPORT
Note
GLYCOLYSIS
Glucose
Glucose-6-phosphate
Fructose-6-phosphate
Fructose-1,6-phosphate
Glyceraldehyde-3-phosphate
1,3-bisphosphoglycerate
3-phosphoglycerate
2-phosphoglycerate
Phosphoenolpyruvate
Pyruvate
Glycolysis เปนขบวนการที่เปลี่ยน glucose (C6) 1 โมเลกุล ใหเปน pyruvate (C3) 2 โมเลกุล
location: cytosol
functions:
- ไดพลังงาน 2 ATP, 2 NADH และ pyruvate
+ATP
+ATP
+NADH - เปนขบวนการที่ใหพลังงานที่สําคัญใน RBC, brain
- intermediates ใน glycolysis มีความสําคัญในขบวนการ biosynthesis ของสารตางๆ (เชน glycerol, acetyl-CoA, 2,3-DPG)
Glucose
Glucose-6-phosphate
Fructose-6-phosphate
Fructose-1,6-phosphate
Glyceraldehyde-3-phosphate
1,3-bisphosphoglycerate
3-phosphoglycerate
2-phosphoglycerate
Phosphoenolpyruvate
Pyruvate
+ATP
+ATP
+NADH
*
**
***
phosphofructokinase 1 (rate-limiting) *
important enzymes:
phosphofructokinase 2 (activated by insulin, inhibited by glucagon)
glucokinase/hexokinase **phosphofructokinase *pyruvate kinase ***
irreversible reactions จําเปนตองมี enzyme อีกชุดที่ทําหนาที่ตรงกันขามในปฏิกิริยายอนกลับ หรือ gluconeogenesis
GLYCOLYSIS
GLYCOLYSIS
Anaerobic glycolysis
pyruvate lactateในภาวะที่เซลลขาดอ็อกซิเจน หรือ ใน RBC (ซึ่งไมมี mitochondria) pyruvate จะถูกเปลี่ยนเปน lactate ดวยการทํางานของ lactate dehydrogenase (LDH) เพื่อ regenerate NADH ใหเปน NAD+ แลวนํามาใชใน glycolysis ไดใหม
NADH + H+ NAD+
lactate จะถูกปลอยออกมาในกระแสเลือดและจะถูก uptake โดยตับเพือ่เปลี่ยนกลับเปน pyruvate และ glucose ไดใหม (Cori cycle)
pyruvate
pyruvate
acetyl CoA
oxaloacetatecitrateKrebs
cycle
Aerobic glycolysis
ในภาวะที่มี oxygen เพียงพอ pyruvate จะถูกสงเขามาใน mitochondria และ ถูกเปลี่ยนเปน acetyl CoA ดวย pyruvate dehydrogenase (PDH) เพื่อเขาสู Krebs cycle
NADH + H+
NAD+
*Note
• PDH มี thaimine (B1), lipoic acid, CoA, FAD (B2), NAD (niacin หรือ B3) เปน coenzyme
• Disease association
Wernicke-korsakoff
B1 deficiency (beri-beri)
GLYCOLYSIS
KREBS CYCLE
Krebs หรือCitric acid หรือ
tricarboxylic acid cycle
location: mitochondria
acetyl CoA 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP
Cindy Is Kinky So SheFornicates More Often
functions: - ทําใหเกิดการ oxidize acetyl CoA อยางสมบูรณ
Krebs หรือCitric acid หรือ
tricarboxylic acid cycle
important enzymes:
***
KREBS CYCLE
isocitrate dehydrogenase (controlled step – inhibited by NADH)
Krebs หรือCitric acid หรือ
tricarboxylic acid cycle
***
Note: อาจออกสอบ
KREBS CYCLE
succinyl-CoA -> succinate ได GTPsuccinate -> fumarate โดย succinate dehydrogenase ได FADH2
KREBS CYCLE
* intermediates ใน Krebs cycle เปนตัวเชื่อมกับขบวนการ biosynthesis ของสารตางๆที่สําคัญ เชน amino acid metabolism, gluconeogensis, fatty acid synthesis
adipocyte
pyruvate
acetyl CoA
oxaloacetatecitrateKrebs
cycle
glucose
glycolysis acetyl CoA
fatty acid glycerol
triacylglycerol
• Stored as triacylglycerol
lipoprotein (VLDL)
liver
NADPH
DHAP
malonyl CoAacetyl CoA carboxylase
FATTY ACID SYNTHESIS AND LIPOGENESIS
• ในระยะ fed state, glucose และ insulin ที่เพิ่มสูงขึ้นจะกระตุนการสังเคราะหกรดไขมัน (fatty acid synthesis) และ triacylglycerol (lipogenesis)
การรับประทานอาหาร carbohydrate หรือ protein มากๆ ก็ทําใหอวนได
adipocyte
pyruvate
acetyl CoA
oxaloacetatecitrate
glucose
glycolysis acetyl CoA
fatty acid glycerol
triacylglycerol
• Stored as triacylglycerol
lipoprotein (VLDL)
liver
NADPH
DHAP
malonyl CoAacetyl CoA carboxylase
acetyl CoA carboxylase (rate-limiting step) กระตุนดวย citrate และ insulin
Krebscycle
FATTY ACID SYNTHESIS AND LIPOGENESIS
Fatty acid synthesislocation: cytosol (ดังนั้น acetyl CoA ตองถูกขนสงเขาสู cytosol ในรูปของ citrate กอน)
important enzymes:
fatty acid synthase (ใช NADPH ที่ไดจาก pentose phosphate pathway)
adipocyte
pyruvate
acetyl CoA
oxaloacetatecitrate
glucose
glycolysis acetyl CoA
fatty acid glycerol
triacylglycerol
• Stored as triacylglycerol
lipoprotein (VLDL)
liver
NADPH
DHAP
malonyl CoAacetyl CoA carboxylase
Krebscycle
FATTY ACID SYNTHESIS AND LIPOGENESIS
• Fatty acid ที่สังเคราะหขึ้นมาใหมจะนําไปสรางเปน triacylglycerol ซึ่งจะถูกขนสงไปในกระแสเลือดในรูปของ lipoprotein (VLDL)
CHOLESTEROL SYNTHESIS
pyruvate
acetyl CoA
oxaloacetatecitrate
glucose
glycolysis acetyl CoA
HMG CoA
lipoprotein (VLDL)
HMG CoA reductase
Krebscycle
mevalonate
cholesterolขนสงไปในกระแสเลือด
HMG CoA reductase (rate-limiting step) กระตุนดวย insulin และยับยั้งดวยยา statins
HMG CoA = 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA
liver
ในระยะ fed state จะมีการสังเคราะห cholesterol มากขึ้นดวยเปนผลจาก insulin และ substrate ที่เพิ่มมากขึ้นlocation: cytosol important enzymes:
GLYCOGENESIS
• glucose ที่เพิ่มมากในเซลล นอกจากจะเขา
สูขบวนการ glycolysis แลว สวนหนึ่งจะถูก
เก็บสะสมไวในรูปของ glycogen ที่ตับและ
กลามเนื้อโดยขบวนการ glycogenesis
glycogen synthase (rate-limiting step)ถูกกระตุนดวย insulin
glucose-6-phosphate
glycogen synthasebranching enzyme
Glycogen
glucose
location: cytosol
important enzymes:
PENTOSE PHOSPHATE PATHWAY
Pentose phosphate pathway
• NADPH
• Ribose
Glucose-6-phosphate dehydrogenase *
glucose
- synthesis of fatty acid, cholesterol, nucleotides
- DNA & RNA synthesis
glucose-6-phosphate
• glucose ที่เพิ่มมากในเซลล ในชวง fed state จะเขาสูขบวนการ Pentose phosphate pathway (Hexose monophosphate shunt)
location: cytosol
functions: generates
important enzymes:
- coenzymes ที่ทําหนาที่ปองกนั oxidative damage ตอเซลล
glucose-6-phosphate dehydrogenase G6PD (rate-limiting step)
PENTOSE PHOSPHATE PATHWAY
เหตุใดผูปวยที่มี G6PD deficiency จึงมีเม็ดเลือดแดงแตกงายเมื่อมี oxidative stress
QuestionQuestion
O2
Superoxideanion
Hydrogen peroxide
Hydroxyl radical
e- e-
H2O
2
e-
OH .e-
H2OO
.2
reactive oxygen species
Damage lipid, protein and DNA
เหตุใดผูปวยที่มี G6PD deficiency จึงมีเม็ดเลือดแดงแตกงายเมื่อมี oxidative stress
QuestionQuestion
HO2C CH CH2 CH2 C NH CH C NH CH2
NH2 CH2
SH
O O
CO2H
"business end"
Glutathione (GSH)
G-S H
G-S HHOOH 2H2O G-S S-G+
GSH peroxidase
NADPH + H+ NADP+
GSH reductase
PENTOSE PHOSPHATE PATHWAY
FED STATE
GlucoseGlucose
insulin
counterregulatory hormones
glycolysis
glycogenesis
lipogenesis
pentose phosphate pathway
cholesterol synthesis
FASTING STATEFASTING STATE
glucagonepinephrines
growth hormonecortisol
glucagonepinephrines
growth hormonecortisol
counterregulatory hormones
GLYCOGENOLYSIS
glucose glucose-6-phosphate
glycogen phosphorylasedebranching enzyme
Glycogen
liver
เมื่อน้ําตาลในเลือดต่าํลง glycogen จะถูกสลายและปลอยออกมาในรูปของ glucose โดยตับ เพื่อรักษาระดับน้ําตาลในเลือด (ใชหมดภายใน 12-18 ชม.)
location: cytosol
important enzymes:glycogen phosphorylase (rate-limiting) ถูกกระตุนดวย glucagon และ epinephrine
GLYCOGENOLYSIS
glucose glucose-6-phosphate
glycogen phosphorylasedebranching enzyme
glucose-6-phosphatase*
Glycogen
liver
• Glycogenesis เกิดขึน้ทั้งที่ liver และ muscle
• แตกลามเนื้อไมมี glucose-6-phosphatase ดังนั้น glycogen ในกลามเนื้อไมสามารถถูกปลอยออกมาในเลือดในรูปของ glucose ได (ไวใชในกลามเนื้อเอง)
อยาจําสับระหวาง glucose-6-phosphatase deficiency กับ glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency
GLUCONEOGENESIS
• ในกรณีที่น้ําตาลในเลือดลดต่ํา เชน หลังจากอดอาหารเปนเวลานาน
(> 12-24 ชม.) ซึ่ง glycogen storage จะถูกใชหมด ดังนั้น counterregulatory
hormones จะกระตุนขบวนการ gluconeogenesis เพื่อรักษาระดับน้ําตาลใน
เลือด โดยใชโครงคารบอนของ amino acid, lactate และ glycerol เปนสารตั้งตน
pyruvate
acetyl CoA
oxaloacetatecitrateKrebs
cycle
glucose glucose-6-phosphate
fructose-6-phosphate
phosphoenolpyruvate
lactate
glycerol
amino acids
fructose-1,6-bisphosphate
(source - muscle)
liver & kidney
Lactate dehydrogenase
GLUCONEOGENESIS
• Gluconeogenesis เปนขบวนการที่ยอนกลับกับ glycolysis ยกเวนตรงตําแหนงที่เปน irreversible reaction ตองมี enzyme อีกชุดที่ทําหนาที่ตรงกันขามในการยอนกลับ
location: cytosol และ mitochondria
pyruvate
acetyl CoA
oxaloacetatecitrateKrebs
cycle
glucose glucose-6-phosphate
fructose-6-phosphate
phosphoenolpyruvate
lactate
glycerol
amino acids
fructose-1,6-bisphosphate
(source - muscle)
liver & kidney
Lactate dehydrogenase
GLUCONEOGENESIS
12
3
4
important enzymes:1. pyruvate carboxylase และ 2. PEP carboxykinase
3. fructose-1,6-bisphosphatase (rate-limiting)4. glucose-6-phosphatase
pyruvate
acetyl CoA
oxaloacetatecitrateKrebs
cycle
glucose glucose-6-phosphate
fructose-6-phosphate
phosphoenolpyruvate
lactate
glycerol
amino acids
fructose-1,6-bisphosphate
(source - muscle)
liver & kidney
Lactate dehydrogenase
12
3
4
GLUCONEOGENESIS
glucose-6-phosphatase *
- การขาดทําใหเกิดโรค glucose-6-phosphatase deficiency (glycogen storage)
pyruvate
acetyl CoA
oxaloacetatecitrateKrebs
cycle
glucose glucose-6-phosphate
fructose-6-phosphate
phosphoenolpyruvate
lactate
glycerol
amino acids
fructose-1,6-bisphosphate
(source - muscle)
liver & kidney
Lactate dehydrogenase
12
3
4
Note: acetyl CoA (เชน ไดจาก beta-oxidation ของ fatty acid) ไมสามารถนํามาใชในขบวนการ gluconeogenesis
GLUCONEOGENESIS
fatty acid
glycerol
triglyceride
adipocyte
free fatty acid
acetyl CoA
oxaloacetatecitrateKrebs
cycle
carnitine
β-oxidation
• counterregulatory hormones จะกระตุนขบวนการสลายไขมัน (lipolysis) โดยเพิ่มการทํางานของ hormone-sensitive lipase ทําใหมีการปลอย fatty acid เพื่อใชเปนแหลงพลังงานแทน glucose -> สงวน glucose ไวใหอวัยวะที่สําคัญ เชน สมอง
gluconeogenesis
hormone-sensitive lipase
* rate-limiting step
LIPOLYSIS AND BETA-OXIDATION OF FATTY ACID
LIPOLYSIS AND BETA-OXIDATION OF FATTY ACID
fatty acid
glycerol
triglyceride
adipocyte
free fatty acid
acetyl CoA
oxaloacetatecitrateKrebs
cycle
carnitine
β-oxidation
gluconeogenesis
hormone-sensitive lipase
* rate-limiting step
Beta oxidation of fatty acid
location: mitochondriaimportant enzymes:carnitine acyltransferase-1 (rate-limiting) ชวยพา fatty acid เขาสู mitochondria
Ketonebodies
acetoacetateβ-OH-butyrate
liver
acetone
Blood ketone
• Hepatic acetyl CoA ที่เพิ่มมากขึ้น (จาก beta oxidation) จะถูกนําไปสรางเปน ketone bodies ซึ่งละลายน้ําไดดี เพื่อใหเนื้อเยื่ออื่น (ยกเวน ตับ) นําไปใชแทน glucose
free fatty acid
acetyl CoA
oxaloacetatecitrateTCA
cyclecarnitine
β-oxidation
KETOGENESIS
FASTING STATE
GlucoseGlucose
insulin
counterregulatory hormones
gluconeogenesis
glycogenolysis
lipolysis
เพิ่มระดับ glucose ในเลือด
เพิ่มระดับ glucose ในเลือด
ketogenesis
สลาย triacylglycerol เพื่อใชแทน glucose
สรางจาก fatty acid เพื่อใชแทน glucose
protein breakdown
Glucose transporter
Glucose
Glucose-6-phosphate
Fructose-6-phosphate
Fructose-1,6-phosphate
Glyceraldehyde-3-phosphate DHAP
1,3-bisphosphoglycerate
3-phosphoglycerate
2-phosphoglycerate
Phosphoenolpyruvate
Pyruvate
Glycogen
Pyruvate Acetyl CoA
OxaloacetateCitrate
Isocitrate
α-ketoglutarate
Succinyl CoA
Succinate
Fumarate
Malate
Pentose phosphate pathway
Fatty acid-CoA
Ketonebodies
Fatty acid- CoA
Ketone bodies
Lactate
Acetyl CoA
Fatty acid
Glycerol-3-phosphate
Lipoprotein
Cholesterol
Glycerol Glycerol
Fatty acid
Triacylglycerol
peripheral tissues
Triacylglycerol
adipose tissue
Citrate
การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเมือ่รางกายอยูในภาวะขาดอาหาร (fasting state) โดยเทียบกับภาวะหลังรับประทานอาหาร (fed state) การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเมือ่รางกายอยูในภาวะขาดอาหาร (fasting state) โดยเทียบกับภาวะหลังรับประทานอาหาร (fed state)
METABOLISM OF AMINO ACID - FED STATE
Gut
Protein synthesis
Nitrogenous compounds
Amino acid pool
Amino acid
METABOLISM OF AMINO ACID - FED STATE
Gut
Protein synthesis
Nitrogenous compounds
Amino acid pool
Transamination &Deamination
• amino acids ที่เหลือจะผานขบวนการ transmination และ deamination
METABOLISM OF AMINO ACID - FED STATE
A) Transamination
• ใช B6 (pyridoxine) เปน coenzyme
• aminotransferase ที่สําคัญ
Alanine transaminase (ALT) หรือ SGPT
Aspartate transaminase (AST) หรือ SGOT
• ขบวนการ transamination และ deamination ของกรดอะมิโนมีประโยชนอยางไร
QuestionQuestion
METABOLISM OF AMINO ACID - FED STATE
Transamination & Deamination of amino acids
α-keto acids(โครงคารบอนของกรดอะมิโน)
METABOLISM OF AMINO ACID - FED STATE
α-keto acids
Intermediates ในขบวนการ metabolism (e.g. glycolysis และ Krebs cycle)
ในชวง fed state, โครงคารบอนของกรดอะมิโน
• oxidize เปนพลังงาน
• สังเคราะห fatty acid
• ปรับสัดสวนของ amino acid ใหเหมาะสม
pyruvate
acetyl CoA
oxaloacetatecitrate
TCAcycle
glucose glucose-6-phosphate
fructose-6-phosphate
phosphoenolpyruvate
lactate
glycerol
amino acids
fructose-1,6-bisphosphate
(source - muscle)
liver & kidney
Lactate dehydrogenase
METABOLISM OF AMINO ACID - FASTING STATE
• โครงคารบอนของกรดอะมิโนเปน source ที่สําคัญในขบวนการ gluconeogenesis ซึ่งไดจากการสลายโปรตีนที่เพิ่มขึ้น โดยผลของ counterregulatory hormone เชน corticosteroid
METABOLISM OF AMINO ACID - FASTING STATE
Protein breakdown
counterregulatory hormones
(e.g. cortisol)Amino acid pool
• โครงคารบอนของกรดอะมิโนเปน source ที่สําคัญในขบวนการ gluconeogenesis ซึ่งไดจากการสลายโปรตีนที่เพิ่มขึ้น โดยผลของ counterregulatory hormone เชน corticosteroid
METABOLISM OF AMINO ACID - FASTING STATE
- สราง glucose- สราง ketone bodies
- oxidize เปนพลังงาน
ในชวง fasting, โครงคารบอนของกรดอะมิโน
ketogenic(leucine, lysine)
vs.
glucogenic amino acid
METABOLISM OF AMINO ACID – UREA CYCLE
Nitrogen ของกรดอะมิโน(e.g. NH3)
Amino acid
transaminationdeamination
โครงคารบอน
location: cytoplasm และ mitochondriaimportant enzymes:
urea cycle *
carbamoyl phosphate synthetase (rate-limiting)
METABOLISM OF AMINO ACID – UREA CYCLE
Note: อาจออกสอบ
• nitrogen สวนเกินจากเนื้อเยื่อตางๆ จะถูกสงไปที่ในกระแสเลือด เพือ่ไปกําจัดที่ตับในรูปที่สําคัญดังนี้
กลามเนื้อ - alanine
เนื้อเยื่ออื่นๆ - glutamine
METABOLISM OF AMINO ACID – UREA CYCLE
Note: อาจออกสอบ
• nitrogen สวนเกินจากเนื้อเยื่อตางๆ จะถูกสงไปที่ในกระแสเลือด เพือ่ไปกําจัดที่ตับในรูปที่สําคัญดังนี้
กลามเนื้อ - alanine
เนื้อเยื่ออื่นๆ - glutamine
1. ผูปวยหญิงอายุ 25 ป เปน DM type I และไดรับการรักษาเพื่อควบคุมระดับน้ําตาลไดเปนอยางดีใน 2-3 ปที่ผานมา ตอมา ผูปวยพบวาตนเองมีน้ําหนักตัวเพิ่มขึ้น จึงตัดสินใจเริ่มออกกําลังกายเพื่อลดน้ําหนัก แตเมื่อออกกําลังกายไปได 1 ชั่วโมง ผูปวยรูสึกวา มีอาการวิงเวียน คลื่นไส จะเปนลม จากขอมูลขางตน กลไกไดตอไปนี้ นาจะอธิบายความผิดปกติที่เกิดขึ้นกับผูปวยหลังออกกําลังกายดังกลาว?
A. Inadequate delivery of oxygen to the muscleB. Stimulation of gluconeogenesis in the liverC. Stimulation of glycogenolysis in the liverD. Stimulation of glycogenolysis in the muscleE. Translocation of GLUT4 to the cell membrane of myocytes
Ans E.
2. ผูปวยเบาหวานชนิด type 2 รายหนึ่งมีอาการ anxiety, มีเหงื่อออก และ รูสึกหิวอยางมากหลังจากกินยารักษาเบาหวาน glyburide ผูปวยจึงไดรับประทานเครื่องดื่มที่มีน้ําตาล ทําใหรูสึกดีขึ้น จากขอมูลดังกลาว กลูโคสที่รับประทานเขาไป เริ่มตนเขาสูขบวนการ glycolysis จากการทํางานของเอ็นซัยมตัวใดใน glycolysis pathway เปนตัวแรก?
A. AldolaseB. HexokinaseC. PhosphofructokinaseD. Phosphoglucose isomeraseE. Pyruvate kinase
Ans B.
3. ผูปวยทารกรายหนึ่งไดรับการรักษาดวยวิธี exchange blood transfusion เนือ่งจากมีภาวะ severe neonatal jaundice ผูปวยตองไดรับการใหเลือดทุกเดอืน และ ตองถูกตัดมามเมื่ออายุ 6 เดือนเพื่อรักษาภาวะซีด ผลการตรวจทางหองปฏิบัติการไดผลดังนี้ RBC 2.54 x 106/mL (คาปกติ 3.5 – 5.5 x 106/mL), hemoglobin 8.3 g/dL (12-16 g/dL), hematocrit 23.4% (34-46%), reticulocytes 27% (0.5-1.5%), indirect bilirubin 6.1 mg/dL (0.4-3.4 mg/dL) ผลการวิเคราะห intermediate ใน glycolysis pathway พบวามีการเพิ่มขึ้นของ 2,3-bisphosphoglycerate, 3-phosphoglycerate, 2-phosphoglycerate, และ phosphoenolpyruvate จากขอมูลดังกลาว ความผิดปกติในผูปวยนาจะเขาไดภาวะในขอใด?
A. Glucose 6-phosphate dehydrogenase (G6PD) deficiencyB. Lead poisoningC. Pyruvate kinase (PK) deficiencyD. Sickle cell anemiaE. Beta-Thalassemia
Ans C.
4. ผูปวยเด็กชายอายุ 6 ป มีอาการของกลามเนื้อออนแรงอยางรวดเร็วหลังออกกําลังมากๆ ผลการตรวจชิ้นเนื้อของกลามเนื้อพบวา เนื้อเยื่อมีลักษณะทาง histology ที่ปกติ ระดับ NAD/NADH และ ATP/ADP ในกลามเนื้อ ในชวง resting stage อยูในเกณฑปกติ เมื่อใหผูปวยวิ่งออกกําลังกาย แลวตรวจเลือด พบวาระดับของ lactate ในเลือด อยูในระดับต่ํามากกวาปกติ และมีระดับ pyruvate ที่สูงมากกวาที่ควรจะเปน ดังนั้น ผูปวยนาจะขาดเอ็นซยัมในขอใดตอไปนี้
A. ขาด phosphofructokinase-1 ทําใหผลิต ATP ไดนอยลงขณะออกกําลังกายB. ขาด pyruvate carboxylase ทําใหมีการสะสมของ pyruvate ซึ่งจะไปยับยั้งขบวนการ glycolysis C. ขาด lactate dehydrogenase ทําใหไมสามารถ regenerate NAD+ ในระหวางที่มี anaerobic metabolismD. ขาดเอ็นซยัมในขบวนการสลาย glycogen ทําใหไมมี glucose เพียงพอสําหรับ glycolysis
Ans C.
5. หญิงคนหนึ่ง ไดออกกําลังกายแบบ aerobic อยางหนัก ซึ่งในชวงเวลาดังกลาว ขบวนการ aerobic glycolysis จะทํางานมากขึ้นเพือ่สรางพลังงานใหแกรางกาย สารใดตอไปนี้เปนสารที่ไดจาก metabolism ของ glucose และเขาสู Krebs cycle เพื่อใชในการสรางพลังงาน?
A. acetyl CoAB. citrateC. oxaloacetateD. pyruvateE. succinate
Ans A.
6. ผูปวยหญิงอายุ 34 ป มาพบแพทยเนื่องจากมีแผลเปอยที่ปาก ผูปวยมีประวัติกินอาหารมังสวิรัติอยางเครงครัด โดยไมกินทั้งไขหรือนม ผลการตรวจวินิจฉัยพบวา ผูปวยมีการขาด riboflavin อยางรุนแรง ซึ่งการขาดดังกลาว นาจะกระทบโดยตรงกับการทํางานของเอ็นซัยมตัวใดใน Krebs cycle มากที่สุด?
A. AconitaseB. Citrate synthaseC. Isocitrate dehydrogenaseD. Malate dehydrogenaseE. Succinate dehydrogenase
Ans E.
7. ผูปวยเด็กหญิงอายุ 3 ป มีประวัติการพัฒนาการทางรางกายชา และเคยมีอาการที่เกิดจากการมีน้ําตาลในเลือดต่ําหลายครั้ง เมื่อตอนที่ไมสบาย กินอาหารไมไดเปนเวลานาน อาการดังกลาวเกิดขึ้นครั้งลาสุด เมือ่ผูปวยเปนไขหวัดใหญ กินอาหารไมคอยได ในชวง 12-24 ชั่วโมงที่ผานมา พอแมผูปวยพบวาผูปวยซึมลง และไมสามารถปลุกใหตื่นได จึงนําสง รพ. ผลการตรวจเลือดและปสสาวะที่เก็บเมื่อผูปวยมา รพ. พบวามี marked hypoglycemia, ketonuria, ketonemia, ระดับ insulin ในเลือดต่ํา สวนระดับ alanine ในเลือดพบวาต่ํากวาปกติ การใหการรักษาโดยให alanine เขาหลอดเลือดดํา ทําใหกลูโคสในเลือดกลับสูงขึ้น จากขอมูลดังกลาว ความผิดปกติในขบวนการใดตอไปนี้ นาจะทําใหเกิดอาการและอาการแสดงที่พบในผูปวย?A. GluconeogenesisB. GlycogenolysisC. Protein catabolism in muscleD. Triglyceride hydrolysis in adipose tissueE. beta-oxidation of fatty acids
Ans C.
8. ผูปวยเด็กชายอายุ 8 ป มีประวัติเปนเบาหวาน type I (NIDDM) มีอาการซึมลง ไมรูสึกตัว หลังจากไมสบายดวยไขหวัดใหญมา 2 สัปดาห ผูปวยหายใจแรงและลึก ลมหายใจมีกลิ่นผลไม ระดับกลูโคสในเลือดเทากับ 540 mg/dL (คาปกติ 60 –100 mg/dL) แพทยไดใหการรักษาโดยใหสารน้ําทางหลอดเลือด, insulin และ potassium chloride ผูปวยจึงมีอาการดีขึ้น ผลของการรักษาที่เกิดขึ้นอยางรวดเร็วหลังให insulin ในผูปวยรายนี้ เปนผลจากการกระตุนขบวนการใด?
A. gluconeogenesis in the liverB. fatty acid release from adipose tissueC. glucose transport in muscleD. ketone utilization in the brainE. glycogenolysis in the liver
Ans C.
9. นักศึกษาแพทยผูหนึ่งตองทําการดูผูปวยในหอผูปวยจนไมไดรับประทานอาหารกลางวันและอาหารเย็น เอ็นซัยมในขอใดตอไปนี้ มีบทบาทในการชวยรักษาระดับกลูโคสในเลือดโดยทําการปลอยกลูโคสออกจากแหลงเก็บสะสมที่ตับ?
A. Acetyl-CoA carboxylaseB. Glucose-6-phosphate dehydrogenaseC. Glycogen phosphorylaseD. Glycogen synthaseE. Thiolase
Ans C.
10. ผูปวยเด็กชายอายุ 14 ป มีอาการกลามเนื้อออนแรงและเปนตะคริวงาย โดยที่อาการรุนแรงมากขึ้นเรื่อยๆ ผลการตรวจทางหองปฏิบัติการพบวา ระดับน้ําตาลในเลือดปกติ และ เมื่อทําการกระตุนดวยการให glucagon พบวา fatty acid มีการสลายออกมาจากเนื้อเยื่อไขมันตามปกติ การตรวจทางพยาธิของชิน้เนื้อจากกลามเนื้อ พบวามีการสะสมอยางผิดปกติของ lipid-filled vacuole ภายใน cytoplasm ของ myocyte การตรวจทางหองปฏิบัติการพบวา lipid ใน vacuole ประกอบดวย triacylglycerol จากขอมูลดังกลาว การบกพรองในขอใดตอไปนี้นาจะเปนสาเหตุของการปวยของผูปวยรายนี้?
A. muscle phosphorylaseB. hepatic phosphorylaseC. debranching enzymeD. muscle carnitineE. apoB-100 receptor
Ans D.
11. ผูปวยเด็กหญิงอายุ 7 ป มารพ. ดวยอาการ polyuria และ polydipsia อยางรุนแรง ผลการตรวจทางหองปฏิบัตกิารพบวามี ketone ในปสสาวะ ขบวนการใดตอไปนี้ที่รางกายใชเพื่อเปนแหลงผลิต ketone ?
A. Free fatty acid breakdownB. GluconeogenesisC. GlycogenolysisD. Protein breakdownE. Triglyceride breakdown
Ans A.
12. ชายอายุ 30 ป ไมไดกินอาหารมาเปนเวลา 2-3 วัน ระดับกลูโคสในเลือดของเขาพบวาอยูที่ 60% ของระดับปกติ แตผูปวยไมมีอาการวิงเวียนหรือหนามืดจะเปนลม เนื่องจากสมองของเขาไดลดการใชกลูโคสโดยหันไปใชสารใดตอไปนี้เปนแหลงพลังงานแทน?
A. Apoprotein BB. Beta-caroteneC. Beta-hydroxybutyrateD. C-reactive proteinE. Coenzyme A
Ans C.
13. ผูปวยชายอายุ 62 ป ไดรับการรักษาดวยยาที่มีฤทธิ์ยับยั้งเอ็นซัยม HMG-CoA reductase ผูปวยรายนี้นาจะปวยดวยภาวะใดตอไปนี้
A. Chronic inflammationB. Familial hypercholesterolemiaC. HypertensionD. HyperuricemiaE. Type 2 diabetes
Ans B.
14. ผูปวยหญิงอายุ 22 ป มา รพ. เนื่องจากมีกอน xanthoma ที่เอ็นสนเทา ซึ่งเมื่อทําการ biopsy เพื่อตรวจทางพยาธิพบวาภายในกอนดังกลาวมี cholesterol-laden macrophages (foam cells) กระจายอยูทั่วไประหวางเสนใย collagen จากขอมูลดังกลาว ผูปวยนาจะมีสารใดตอไปนี้สูงในเลือด
A. Chylomicron remnantsB. ChylomicronsC. High density lipoproteins (HDL)D. Low density lipoproteins (LDL)E. Very low density lipoproteins (VLDL)
Ans D.
carbohydrate = 4 kcal/g 4x100 -> 400Lipid = 9 kcal/g 9X25 -> 225Protein = 4 kcal/g 4X20 -> 80
Total 705 kcalAns C.
BIOLOGICAL OXIDATION
• electron จาก NADH และ FADH2 จะถูกถายทอดไปยัง respiratory chain complexes ใน mitochondria จนถึง O2
• free energy ที่เกิดขึ้น จะถูกนําไปเก็บไวในรูป ATP
B) Oxidative phosphorylation
BIOLOGICAL OXIDATION
NADHNADH
FADH2FADH2
coenzyme Q(ubiquinone) cytochrome C O2
complex IIIcomplex I complex IV
2 (1.5) ATP3 (2.5) ATP
BIOLOGICAL OXIDATION
NADH ที่เกิดขึน้ใน cytosol (e.g. จาก glycolysis) ไมสามารถผานเขาสู mitochondria ไดโดยตรงเพื่อเขาสู ETS จะตองอาศัยขบวนการขนสง หรอื shuttle ซึ่งมี 2 ชนิด ไดแก:
BIOLOGICAL OXIDATION
inhibitors ที่สําคัญ- cyanide และ carbonmonoxide ยับยั้ง complex IV (cytochrome oxidase)
uncoupler – ทําให proton gradient เสีย เชน salicylate, dicumarol
NUCLEOTIDE METABOLISM
Nucleotides ไดมาจาก 2 ทางคือ
1. การสังเคราะหขึ้นใหม (De novo synthesis)
2. การกูกลับ (Salvage pathway)
NUCLEOTIDE METABOLISM
PRPP synthase: inhibited by all nucleotides (common for both purine and pyrimidine synthesis)
PURINE SYNTHESIS (DE NOVO)
1. PRPP synthase: inhibited by all nucleotides (common for both purine and pyrimidine synthesis)
2. PRPP amidotransferase(rate-limiting step of purine synthesis)
3. AMP, GMP inhibit their own synthsis.+ +
ATP stimulates GTP synthsis,and GTP stimulates ATP synthesis.
ATP
PYRIMIDINE SYNTHESIS (DE NOVO)
1. PRPP synthase: inhibited by all nucleotides (common for both purine and pyrimidine synthesis)
2. carbamoyl phosphate synthetase II (rate-limiting step of pyrimidine synthesis)
3. OMP decarboxylase
4. CTP synthetase inhibited by CTP.
orotidine MP
orotic aciduriaNote:
Purine Pyrimidine
dUMP
thymidylate synthaseN5,N10 methylene THF (FH4)
DHF (FH2)
dTMP
NUCLEOTIDE METABOLISM
Note:
- การขาด folate รบกวนการแบงตัวของเซลล (megaloblastic anemia)
- การยับยั้ง folate โดยยา เชน methotrexate (anitcancer), trimethoprim (antimicrobial), pyrimethamine (antimalarial)
SALVAGE SALVAGE PATHWAYPATHWAY
+ ribose (R-1-P) NUCLEOSIDE + Pi
+ R-5-P (PRPP) NMP + PPi
nucleoside phosphorylase
base
phosphoribosyl transferase
NUCLEOTIDE METABOLISM
Note:
• เหตุผลที่รางกายตองใชขบวนการ salvage เนื่องจาก
- save energy ที่ตองใชในการสังเคราะห- ลด toxic waste ที่เกิดขึ้นโดยเฉพาะ urate ที่ไดจากการสลาย purine
เอ็นซัยมที่สําคัญ คือ hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase (HGPRT) ที่มีความบกพรองในผูปวย Lesch-Nyhan syndrome(mental retardation, cerebral palsy, hyperuricemia)
NUCLEOTIDE METABOLISM
• catabolism ของ purine มีความสําคัญเพราะได uric acid โดยการทํางานของ xanthine oxidase
• Allopurinol เปนยาที่ยับยั้ง xanthine oxidase รักษาภาวะ hyperuricemia
NUCLEIC ACID STRUCTURE AND ORGANIZATION
A T
5’3’
5’ 3’
G C
• Antiparallel strands of DNA
• Complementary base pairing: A – T , G - C
NUCLEIC ACID STRUCTURE AND ORGANIZATION
• DNA ของเซลล eukaryote รวมทั้งของมนุษยจะรวมอยกับโปรตีน histone เปน nucleosome
• Histone เปนโปรตีนที่มีกรดอะมิโนที่มีประจุบวก (เชน lysine, arginine) เปนสวนประกอบอยูมาก ดังนั้นจึงมีความสามารถในการจับกับ DNA (negatively-charged molecule) ไดดี
histone
DNA
Histone octamer- ประกอบดวย 2 subunits of H2A, H2B, H3, H4
• Nucleosome สามารถประกอบกันเขาเปนโครงสรางระดับที่สูงขึ้นเปน chromatin fiber และ chromosome
free DNA
10 nm chromatin fibril
30 nm chromatin fiber
chromosomeeu- vs. heterochromatin
Helicase (unwinds DNA)
Single-stranded DNA-binding protein
Primase (an RNA polymerase)
DNA pol III (leading/lagging)
DNA pol I (removes RNA primers and fills gap)
DNA ligase (links Okazaki fragments)
DNA gyrase or Topo II (reduces tension in DNA)
DNA REPLICATION & REPAIR
Important DNA replication components (in E. coli) :
DNA REPLICATION & REPAIR
• DNA gyrase หรือ topoisomerase II สามารถถูกยับยั้งไดดวย
ยาในกลุม quinolone เชน nalidixic, ofloxacin, norfloxacin, etc
• ใน eukaryotes ยังมี telomerase ที่คอยรักษา telomere
ไมใหหดสั้นลง เมื่อมี DNA replication ตอนเซลลแบงตัว
DNA REPLICATION & REPAIR
DNA repair ความเสียหายตอ DNA หรือความผิดพลาดระหวาง DNA replication อาจทําใหเกิดการกลายพันธ หรือ mutation ถาไมมีการซอมแซม
OH
Damaged DNA
ความสําคัญทางคลินิค:
xeroderma pigmentosumมี genetic defect ของ excision endonuclease ทําใหเกิด photosensitivity และ เสี่ยงตอการเกิดมะเร็ง
Hereditary nonpolyposis colorectal cancer –defects in mismatch repair
P
OH P
excinuclease
DNA with damaged
region removed NickRepaired DNA
polymerase
DNA ligaseRepaired
DNA (normal)
TRANSCRIPTION & RNA PROCESSING
RNA polymerase II
start site
core promoter(TATA box)
exon1 exon2intronup to 10 kilobases from the start site
downstream
enhancersilencer
+
+
+
++
-
upstream
• ยีนหนึ่งๆ อาจจะถูกควบคุมดวย transcription factor ไดหลายชนิด
transcription
transcription
activator จับกับ DNA สวนที่เปน enhancer
repressor จับกับ DNA สวนที่เปน silencer
* ตําแหนงของ enhancer อาจจะอยูไกลจากยีนมาก (ไปทาง upstream หรือ downstream ตอยีน), ใกล promoter, หรือ อาจจะอยูในยีนก็ได
TRANSCRIPTION & RNA PROCESSING
• Alternative splicing & Editing
• ความสําคัญทางคลินิค- mutations leading to abnormal splicing -> HbE
TRANSCRIPTION & RNA PROCESSING
Life cycle of mRNA.swfSee the animation in
Instruction- click mouse ปุมขวา ที่ animation แลวเลือก play (ทํา 2 ครั้ง) เพื่อเขาสูโปรแกรม เลือก step-through แลว click play (หรือ continue) เพื่อดู animation
Secreted and membrane proteins
TRANSLATION AND POSTTRANSLATIONAL MODIFICATION
secreted protein pathway.swfSee the animation in
ผูปวยรายหนึ่งมาจากครอบครัวที่เปนโรคทางพันธุกรรมที่เขาไดกับ autosomal recessive โดยมีอาการคือ มีสติปญญาต่ํา, ไมมีแรง, เดินเซ, ชัก และ เสียชีวิตตัง้แตอายุนอย ผลการตรวจพิเศษทางหองปฏิบัติการพบวา มีการบกพรองของการทํางานของ cytochrome C oxidase จากขอมูลดังกลาว ในผูปวยรายนี้นาจะมีความบกพรองของ cellular organelle ในขอใด
A. Golgi apparatusB. LysosomesC. MitochondriaD. RibosomesE. Smooth endoplasmic reticulum
Ans C.
ผูปวยชายอายุ 40 ป มารพ. เนื่องจากอาการปวดศีรษะอยางรุนแรง ความดันโลหิตของผูปวยเทากับ 210/130 mmHg และพบวามี retinal hemorrhageแพทยจึงใหยาลดความดันโลหิต nitroprusside ซึ่งตองใหในปริมาณสูงเพื่อควบคุมความดันโลหิต ดังนั้น แพทยจึงใหยา thiosulfate รวมดวยเพื่อลด toxic side effect ของ nitroprusside จากขอมูลดังกลาว complex ใดใน electron transport system มีความไวตอพิษของ toxic metabolite ของ nitroprusside (ซึ่งจะมีการสะสมเมื่อใชยาในปริมาณสูง) มากที่สุด?
A. Complex I (NADH-CoQ oxidoreductase)B. Complex II (succinate dehydrogenase)C. Complex III (CoQ-cytochrome C oxidoreductase)D. Complex IV(cytochrome C oxidase)E. Complex V (ATP synthase)
Ans D.
นักวิทยาศาสตรผูหนึ่งไดทําการวิจัยองคประกอบของ double-stranded RNA genome ของไวรัสชนิดใหมที่ทําใหเกิดโรคทองรวงในเดก็เล็ก พบวา viral genome ประกอบดวย uracil 15% จากขอมูลดังกลาว genome ของไวรัสจะมี guanine เปนองคประกอบกี่เปอรเซ็นต?
A. 15B. 25C. 35D. 75E. 85
Ans C.
A patient with acute lymphocytic leukemia is treated appropriately with antineoplastic therapy. Inhibition of which of the following enzymes will help prevent side effects of this therapy?
A. Alpha-glucosidaseB. Angiotensin-converting enzymeC. Beta-lactamaseD. CyclooxygenaseE. Xanthine oxidase
Ans E.
A 58-year-old woman is admitted to the hospital with fever, abdominal cramps, and severe watery diarrhea. The symptoms began one day after attending a banquet. She was treated with ciprofloxacin, but her condition did not improve. PCR amplification and analysis of a gene region in the bacteria isolated from the patient revealed a missense mutation that conferred resistance to ciprofloxacin. The missense mutation is most likely in the gene encoding an enzyme essential for which of the following functions?
A. DNA replicationB. folate synthesisC. mRNA translocation on a ribosomeD. Peptide bond formationE. Reduction of folate to tetrahydrofolate
Ans A.
A lethal mutation occurs in a bacterium, rendering it incapable of replicating its chromosome. Because of this mutation, DNA synthesis produces many short fragments of DNA that have RNA sequences at their 5' ends. The mutation is most likely in a gene encoding which of the following?
A. DNA gyraseB. DNA helicaseC. DNA ligase D. DNA polymerase IE. Primase
Ans D.
Genomic DNA from a child with pyruvate kinase deficiency identifies a mutation in the 3'-splice site of intron 3. The mRNA from the child's reticulocytes is used to produce cDNA. Primers flanking the exon 3/exon 4 border are used to amplify this region from the cDNA (RT-PCR). The products are separated by electrophoresisand compared to the RT-PCR products from normal reticulocytes (control). The results are shown below. Which of the following mechanisms best accounts for the results of the splice mutation?
A. Exon skippingB. Frameshift mutationC. Missense mutationD. Trinucleotide expansionE. Two codon deletion
Ans E.
Genomic DNA from a child with pyruvate kinase deficiency identifies a mutation in the 3'-splice site of intron 3. The mRNA from the child's reticulocytes is used to produce cDNA. Primers flanking the exon 3/exon 4 border are used to amplify this region from the cDNA (RT-PCR).
exon 3 intron3 exon 4
normal
5’ 3’ splice site
exon 3 intron3 exon 4
mutant
5’ cryptic 3’ splice site
splicingsplicing
RT-PCRRT-PCR
PCR product 78 bpPCR product 84 bp
ผูปวยอายุ 50 ป มารพ. ดวยอาการของ hepatitisและ cirrhosis ผูปวยไมดื่มเหลาหรือสูบบุหรี่ หรือมีการเจ็บปวยใดๆที่สําคัญมากอน ผลการตรวจทางหองปฏิบัติการพบวา ผูปวยมีความผิดปกติแบบ homozygous ของยีน alpha1-antitrypsin ซึ่งพบวามี missense mutation ทําใหไมสามารถเกิดการ fold ของ protein ที่เหมาะสมได การตรวจชิ้นเนื้อของตับ นาจะพบการสะสมของโปรตีนที่ผิดปกตภิายใน cellular compartment ใด?
A. Endoplasmic reticulumB. Extracellular matrixC. Golgi apparatusD. Inclusion bodiesE. Lysosomes
Ans A.
สิ่งที่ตองไปทบทวนเอง
Gaucher’s diseaseMucopolysaccharoidosesTay-Sach’s diseaseNieman-pick diseaseCollagen diseaseetc.