שיעור 10 מבוא למטבוליזם ולהעברת אותות

חלק א’: מבוא למטבוליזם

מעגל החיים - אוטוטרופים והטרוטרופים

האורגניזמים על פני כדור הארץ מתחלקים לשתי קבוצות על פי מקור הפחמן שלהם. אוטוטרופים הם יצורים פוטוסינתטיים כמו צמחים ואצות חד-תאיות, שמקבלים אנרגיה מהשמש, משחררים $\ce{O2}$ ויוצרים תוצרים אורגניים. הטרוטרופים לא יכולים להשתמש ב-$\ce{CO2}$ מהאטמוספירה ולכן מפרקים את התוצרים האורגניים שהאוטוטרופים יצרו, תוך שחרור $\ce{CO2}$ ומים בחזרה לסביבה.

הגדרת מטבוליזם

מטבוליזם הוא מכלול התהליכים של בנייה ופירוק מולקולות בתא, ומתחלק לשני חלקים מרכזיים:

• קטבוליזם הוא פירוק מולקולות אורגניות מורכבות (פחמימות, שומנים, חלבונים) לאבני בניין פשוטות. במהלך הפירוק משתחררים $\ce{CO2}$ ומים, ונוצרות מולקולות אנרגיה: $\ce{ATP}$, $\ce{NADH}$, $\ce{NADPH}$ ו-$\ce{FADH2}$. תהליכי הקטבוליזם הם מתכנסים - מגיעים ממקורות שונים ומתאחדים במעגל קרבס.

• אנאבוליזם הוא בניית מולקולות מורכבות מאבני בניין פשוטות. תהליך זה דורש אנרגיה ומשתמש ב-$\ce{ATP}$ ובנשאי האלקטרונים שנוצרו בקטבוליזם. תהליכי האנאבוליזם הם מתפזרים - מתחילים ממולקולה מרכזית כמו $\ce{Acetyl-CoA}$ ומתפצלים למסלולים שונים.

עקרונות הרגולציה המטבולית

רגולציה רציפרוקלית

קטבוליזם ואנאבוליזם אינם פועלים במקביל - כשתהליך אחד פעיל, השני מדוכא. העקרון הזה מונע בזבוז אנרגיה.

שלבי התחייבות (Commitment Steps)

תהליכים בלתי הפיכים מבחינה תרמודינמית שמהווים נקודות אל-חזור במסלול המטבולי.

הפרדה פיזית

מסלולים מטבוליים מופרדים בין תאי המיטוכונדריה לציטוזול, מה שמאפשר רגולציה עצמאית.

שיתוף אנזימים

חלק מהאנזימים משותפים למספר מסלולים, בעוד אחרים ספציפיים למסלול אחד - מה שמאפשר גמישות ברגולציה.

חלק ב’: עקרונות העברת אותות (Signal Transduction)

העברת אותות היא מערכת שמורה אבולוציונית המאפשרת לתאים להגיב לסיגנלים חיצוניים כמו הורמונים, נוירוטרנסמיטורים ומזון.

שבעת המאפיינים של מערכות Signal Transduction

ארבע משפחות עיקריות של רצפטורים

1. GPCR - G Protein-Coupled Receptors
2. Receptor Tyrosine Kinases - רצפטורים בעלי פעילות קינאז
3. Ion Channel Receptors - רצפטורים שמווסתים תעלות יונים
4. Nuclear Receptors - רצפטורים שמשפיעים על ביטוי גנים

חלק ג’: GPCR - G Protein-Coupled Receptors

מאפיינים כלליים

משפחת ה-GPCR כוללת למעלה מ-800 חלבונים שונים בבני אדם, ומוטציות בהם מעורבות בכ-20% ממקרי הסרטן. כל חלבוני המשפחה חולקים מבנה משותף של שבעה קטעים טרנס-ממברנליים.

עיקרון הפעולה המרכזי: מעבר בין מצב לא-פעיל (קשור ל-$\ce{GDP}$) למצב פעיל (קשור ל-$\ce{GTP}$).

חלק ד’: מסלול האדרנלין - דוגמה קלאסית ל-GPCR

הקולטנים האדרנרגיים

קיימים ארבעה תת-סוגים: α₁, α₂, β₁, β₂. קולטני β מתווכים את פירוק הגליקוגן וחומצות השומן בתגובה ללחץ.

מנגנון ההפעלה של מסלול האדרנלין

המנגנון כולל חמישה שלבים עיקריים:

1. קישור הליגנד: אפינפרין (אדרנלין) נקשר לרצפטור וגורם לשינוי קונפורמציוני (אלוסטרי) בצד הציטופלזמי.

2. הפעלת G-Protein: ה-G-Protein הוא הטרוטרימר המורכב מתת-יחידות $\mathrm{G_s α}$, $\mathrm{G_s β}$ ו- $\mathrm{G_s \gamma}$ . השינוי הקונפורמציוני גורם להחלפת $\ce{GDP}$ ב-$\ce{GTP}$ על תת-יחידת α, ולפירוק הקומפלקס.

3. הפעלת Adenylyl Cyclase: תת-יחידת $\mathrm{G_s α-GTP}$ נקשרת לאנזים Adenylyl Cyclase ומפעילה אותו.

4. יצירת שליח שניוני: Adenylyl Cyclase מזרז את ההמרה של $\ce{ATP}$ ל-Cyclic AMP (cAMP), השליח השניוני של המסלול.

5. הפעלת PKA: ארבע מולקולות cAMP נקשרות ל-Protein Kinase A ומפעילות אותו. PKA מזרז פוספורילציה של חלבוני מטרה רבים.

אמפליפיקציה במסלול

כל שלב מגביר את הסיגנל פי עשר עד עשרים, כך שמולקולה בודדת של אדרנלין מובילה לפירוק של כמאה אלף מולקולות גליקוגן.

מנגנוני כיבוי הסיגנל

הפחתת ריכוז הליגנד

ירידה בריכוז האדרנלין מפחיתה את הקישור לרצפטור - זה המנגנון היעיל ביותר כיוון שהוא פועל לפני שלב האמפליפיקציה.

הידרוליזת $\ce{GTP}$

תת-יחידת $\mathrm{G_s α}$ מבצעת הידרוליזה של $\ce{GTP}$ ל-$\ce{GDP}$, מה שמכבה אותה ומאפשר התאחדות מחדש של הטרימר.

פירוק cAMP

האנזים Phosphodiesterase מפרק cAMP ל-$\ce{AMP}$, ובכך מפחית את הפעלת PKA.

דה-סנסיטיזציה של הרצפטור

בעת קישור ממושך של אדרנלין, האנזים β-ARK (β-Adrenergic Receptor Kinase) מזרחן את הרצפטור. הפוספורילציה (זרחון) יוצרת אתר קישור ל-β-Arrestin, שגורם לאנדוציטוזה של הרצפטור והסרתו מהממברנה. הרצפטור חוזר לממברנה רק לאחר דה-פוספורילציה.

דוגמה קלינית: טוקסין הכולרה

הטוקסין של חיידק Vibrio cholerae מזרז קישור של ADP-Ribose ל-$\mathrm{G_s α}$, מה שמונע את הידרוליזת ה-$\ce{GTP}$ ומשאיר את המסלול פעיל באופן מתמיד. התוצאה היא שלשולים חמורים עקב הפרשת יונים מוגברת למעי.

חלק ה’: מסלול $\ce{IP3}$ / DAG

מסלול נוסף של GPCR המשתמש בשליחים שניוניים שונים.

מנגנון הפעולה

קישור הורמון לרצפטור מפעיל את תת-יחידת $\mathrm{G_q α}$, שמפעילה את האנזים Phospholipase C (PLC). האנזים מפרק את הפוספוליפיד $\ce{PIP2}$ לשני שליחים שניוניים:

• $\ce{IP3}$ (Inositol 1,4,5-Trisphosphate) - מולקולה מסיסת מים הנקשרת לרצפטורים על ה-ER (לתעלה) וגורמת לשחרור $\ce{Ca^{2+}}$ לציטופלזמה.

• DAG (Diacylglycerol) - נשאר בממברנה ומפעיל, יחד עם $\ce{Ca^{2+}}$, את האנזים PKC (Protein Kinase C).

חלק ו’: פוטורצפטורים בעין

מבנה תאי הראייה

Rods (מוטות) - אחראים על ראייה בתנאי תאורה חלשה. Cones (קונוסים) - אחראים על ראיית צבעים, מכילים שלושה סוגי אופסינים (אדום, ירוק, כחול).

מבנה התא כולל Outer Segment עם דיסקיות המכילות את הפוטופיגמנט, Connecting Cilium להובלת חלבונים, ו-Inner Segment לסינתזת חלבונים.

מנגנון קליטת האור

רודופסין הוא GPCR המורכב מהחלבון אופסין וכרומופור בשם 11-cis Retinal.

1. שלב 1: פוטון נקלט על ידי הכרומופור וגורם לאיזומריזציה מ-cis ל-trans.

2. שלב 2: השינוי המבני מפעיל את האופסין, שמפעיל את ה-G-Protein טרנסדוצין ($\mathrm{G_t}$).

3. שלב 3: תת-יחידת $\mathrm{G_t α-GTP}$ מפעילה את האנזים PDE (Phosphodiesterase).

4. שלב 4: PDE מפרק cGMP ל-$\ce{GMP}$, מה שמוריד את ריכוז ה-cGMP בתא.

5. שלב 5: תעלות $\ce{Na^+}$/$\ce{Ca^{2+}}$ שנשלטות על ידי cGMP (cGMP-gated channels) נסגרות.

6. שלב 6: שינוי בזרימת היונים גורם להיפרפולריזציה של התא - זהו הסיגנל החשמלי.

כיבוי הסיגנל והחזרה למצב מנוחה

הירידה בריכוז $\ce{Ca^{2+}}$ מפעילה את האנזים Guanylyl Cyclase, שמסנתז cGMP מ-$\ce{GTP}$. עליית ריכוז ה-cGMP פותחת מחדש את התעלות, והתא חוזר למצב מנוחה.

במקביל, Rhodopsin Kinase מזרחן את האופסין, ו-Arrestin נקשר ומונע הפעלה נוספת עד לחזרת הכרומופור למצב cis.

חלק ז’: Receptor Tyrosine Kinases - רצפטור האינסולין

מבנה הרצפטור

רצפטור האינסולין הוא דימר המורכב משתי תת-יחידות α (חוץ-תאיות, קושרות אינסולין) ושתי תת-יחידות β (טרנס-ממברנליות, בעלות פעילות Tyrosine Kinase).

מנגנון ההפעלה של רצפטור האינסולין

שישה שלבים עיקריים:

1. קישור אינסולין לתת-יחידות α: קישור אינסולין לתת-יחידות α גורם לשינוי קונפורמציוני.

2. אוטופוספורילציה בטרנס: תת-יחידות β מבצעות אוטופוספורילציה בטרנס - כל תת-יחידה מזרחנת שיירי טירוזין בתת-היחידה השנייה.

3. גיוס חלבונים עם דומיין SH2: הטירוזינים המזורחנים משמשים כאתרי עגינה לחלבונים עם דומיין SH2, כגון IRS-1 (Insulin Receptor Substrate-1).

4. גיוס Grb2 והפעלת Ras: IRS-1 המזורחן מגייס את Grb2, שמפעיל את חלבון ה-G הקטן Ras.

5. הפעלת קסקדת MAP Kinase: Ras מפעיל את קסקדת MAP Kinase: Raf → MEK → ERK.

6. השפעה על ביטוי גנים: ERK נכנס לגרעין ומשפיע על ביטוי גנים.

מילון מונחים

סיכום המסלולים

שאלות לתרגול

שאלה 1: זיהוי מנגנון פגום בעייפות כרונית

גבר בן 32 סובל מעייפות כרונית, ירידה בלחץ דם וקושי בריכוז. בבדיקות דם נמצאו רמות נמוכות של גלוקוז וקורטיזול. קיים חשד לפגיעה במסלול β-אדרנרגי.

מהו המנגנון הפגוע?

1. חוסר הפעלה של חלבון $\mathrm{G_s}$ והפחתת רמות cAMP בתא
2. עיכוב בפוספורילציה על ידי MAP Kinase
3. ירידה בפוספורילציה של הרצפטור לאחר קישור ליגנד
4. פגיעה בתעלות cGMP-gated
5. עלייה ברמות cGMP לאחר קישור אדרנלין

שאלה 2: זיהוי מנגנון פגום בראייה בחושך

נער בן 16 מתלונן על קושי בראייה בחושך. בבדיקה נמצא תפקוד לקוי של תאי Rod.

מהו המנגנון הפגוע?

1. פירוק של cGMP על ידי Phosphodiesterase לאחר הפעלת rhodopsin
2. פירוק Transducin לאחר הפעלה
3. הפעלת Adenylyl Cyclase
4. פוספורילציה של טירוזין ברצפטור אינסולין
5. עלייה ברמות cGMP לאחר קישור אדרנלין

תרשימים

תרשים מנגנון הפעולה של מסלול האדרנלין

אדרנלין → GPCR → שינוי אלוסטרי → שחרור Gα + קישור GTP
                                        ↓
                              הפעלת Adenylyl Cyclase
                                        ↓
                              ATP → cAMP (שליח שניוני)
                                        ↓
                              הפעלת PKA (Protein Kinase A)

תרשים דה-סנסיטיזציה (אדפטציה)

קישור אדרנלין → פוספורילציה ע"י β-ARK → קישור β-Arrestin
                                              ↓
                                      אנדוציטוזה של הרצפטור
                                              ↓
                                    הרצפטור לא זמין לקישור

• β-ARK (Beta-Adrenergic Receptor Kinase) - עושה פוספורילציה לרצפטור
• β-Arrestin - נקשר לרצפטור המפוספרל וגורם לאנדוציטוזה
• הרצפטור חוזר רק לאחר דה-פוספורילציה

תרשים מנגנון הפעולה של Phospholipase C (PLC)

הורמון → GPCR → שינוי אלוסטרי → GTP נקשר ל-Gq-α
                                        ↓
                              הפעלת Phospholipase C (ליפאז)
                                        ↓
                              PIP₂ → IP₃ + DAG

שני השליחים השניוניים

תרשים מנגנון הפעולה של פוטורצפטורים בעין

פוטון → שינוי cis → trans ברטינאל → שינוי מבני באופסין
                                            ↓
                                    שחרור Gt-α + קישור GTP
                                            ↓
                                    הפעלת PDE (Phosphodiesterase)
                                            ↓
                              cGMP → GMP (ירידה בריכוז cGMP)
                                            ↓
                              סגירת תעלות Na⁺/Ca²⁺ (cGMP-gated)
                                            ↓
                              שינוי בפוטנציאל החשמלי = סיגנל

כיבוי הסיגנל בפוטורצפטורים

1. ירידה ב-$\ce{Ca^{2+}}$ ← הפעלת Guanylyl Cyclase (GC)
2. GC יוצר cGMP מ-GTP
3. cGMP פותח את התעלות ← חזרה למצב מנוחה

דה-סנסיטיזציה

• Rhodopsin Kinase מפספרל את האופסין
• Arrestin נקשר ומונע הפעלה נוספת
• חזרה למצב cis נדרשת לשחזור הפעילות

תרשים מנגנון הפעולה של רצפטור האינסולין

אינסולין → קישור ל-α-subunit → אוטו-פוספורילציה בטרנס
                                        ↓
                              פוספורילציה של IRS-1
                                        ↓
                              קישור Grb2 (אתר SH2)
                                        ↓
                              הפעלת Ras (GTP-binding protein)
                                        ↓
                              קסקדת MAP Kinase
                                        ↓
                              שינוי בביטוי גנים