הודעות מנהליות
- ביום ראשון: בוחן עם משה (לא שיעור רגיל)
- יש פורום שאלות ותשובות באתר למידה - מומלץ לשאול שם כדי שכולם יראו
- קריאת חובה לשיעור הבא: עמודים 29-241 בלנינג’ר (החלק על סוכרים)
חלק א’: מבוא למטבוליזם
מעגל החיים - אוטוטרופים והטרוטרופים
האורגניזמים על פני כדור הארץ מתחלקים לשתי קבוצות לפי מקור הפחמן שלהם:
| קבוצה | מאפיינים | דוגמאות |
|---|---|---|
| אוטוטרופים | יוצרים חומרים אורגניים מ-$\ce{CO2}$ באמצעות פוטוסינתזה, משחררים $\ce{O2}$ | צמחים, אצות חד-תאיות |
| הטרוטרופים | לא יכולים להשתמש ב-$\ce{CO2}$ מהאטמוספירה, מפרקים תוצרים אורגניים | בעלי חיים, פטריות |
הגדרת מטבוליזם
מטבוליזם = התהליכים של בנייה ופירוק של מולקולות בתא.
קטבוליזם (פירוק)
- פירוק מולקולות אורגניות מורכבות (פחמימות, שומנים, חלבונים) לאבני בניין
- שחרור $\ce{CO2}$ ומים
- יצירת מולקולות אנרגיה: ATP, NADH, NADPH, $\ce{FADH2}$
- תהליכים מתכנסים - מגיעים מכיוונים שונים אל מעגל קרבס
אנבוליזם (בנייה)
- בניית מולקולות מורכבות מאבני בניין (סוכרים, חומצות אמינו)
- דורש אנרגיה - שימוש ב-ATP ונשאי אלקטרונים
- תהליכים מתפזרים - מתחילים ממולקולה אחת (כמו אצטיל-CoA) ומתפזרים למסלולים שונים
רגולציה של מטבוליזם
רגולציה רציפרוקלית (Reciprocal Regulation)
כאשר תהליך אחד עובד, השני מדוכא - ולהיפך
הסיבה: מניעת בזבוז אנרגיה
מנגנוני רגולציה נוספים
- תהליכים בלתי הפיכים - שלבי התחייבות (commitment steps) שלא ניתן לחזור מהם
- הפרדה פיזית - בין המיטוכונדריה לציטוזול
- אנזימים משותפים ואנזימים ספציפיים - חלק מהאנזימים משמשים שני מסלולים, אחרים ספציפיים למסלול אחד
חלק ב’: Signal Transduction - העברת אותות
מאפיינים כלליים של מערכות העברת אותות
מערכות אלו שמורות אבולוציונית ונחוצות במיוחד באורגניזמים רב-תאיים (multicellular).
שבעת המאפיינים העיקריים
| מאפיין | הסבר |
|---|---|
| 1. ספציפיות | קישור ספציפי של ליגנד לרצפטור (מבני/אלקטרוסטטי) |
| 2. רגישות | $K_d$ נמוך = אפיניות גבוהה, פעילות בריכוזים נמוכים |
| 3. אמפליפיקציה | מולקולה אחת מפעילה הרבה מולקולות נוספות |
| 4. מודולריות | שינויים במולקולה (כמו פוספורילציה) שיכולים להפעיל קישור |
| 5. דה-סנסיטיזציה/אדפטציה | העדר רגישות בשלב מסוים - הרצפטור מפסיק להגיב |
| 6. אינטגרציה | שתי מולקולות נקשרות לרצפטורים שונים, הסיגנלים משתלבים |
| 7. תגובה מקומית | אגרגציה של מולקולות למניעת השפעה על מסלולים אחרים |
ארבעת סוגי מערכות Signal Transduction
- GPCR - G Protein-Coupled Receptors
- Receptor Kinase (כמו Tyrosine Kinase)
- שליטה בתעלות יונים
- Nuclear Receptors - השפעה על ביטוי גנים
חלק ג’: GPCR - G Protein-Coupled Receptors
מאפיינים כלליים
- משפחה גדולה מאוד: מעל 800 חלבונים
- 20% מהמקרים של סרטן מעורבים במוטציות ב-GPCR
- רצפטורים ממברנליים עם 7 רצפים טרנס-ממברנליים
- מעבר בין מצבים: GTP = פעיל, GDP = לא פעיל
דוגמה 1: מסלול האדרנלין (תגובת לחץ)
הקולטנים האדרנרגיים
- אלפא-1, אלפא-2
- בטא-1, בטא-2 - מתווכים פירוק גליקוגן וחומצות שומן
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)
שלבי התהליך המפורטים
- קישור אדרנלין ל-GPCR
- שינוי אלוסטרי - שינוי מבני במקום אחר (לא באתר הקישור)
- פירוק הטרימר: $G_s\alpha$, $G_s\beta$, $G_s\gamma$ מתפרקים
- החלפת GDP ל-GTP על יחידת $G_s\alpha$
- הפעלת Adenylyl Cyclase על ידי $G_s\alpha$
- יצירת cAMP מ-ATP (שליח שניוני)
- הפעלת PKA - 4 מולקולות cAMP נקשרות ומפעילות את הקינאז
- קסקדת פוספורילציה - PKA מפעיל מולקולות נוספות
אמפליפיקציה במסלול האדרנלין
| שלב | כמות מולקולות |
|---|---|
| אדרנלין | 1 |
| $G_s\alpha$ | 10 |
| cAMP | 200 |
| PKA | ~50 |
| פירוק גליקוגן | ~100,000 |
כיבוי הסיגנל
מנגנונים לכיבוי
- ירידה בריכוז האדרנלין - הכי משפיע (לפני האמפליפיקציה)
- הידרוליזה של GTP ל-GDP - כיבוי ה-G protein
- ירידה בריכוז cAMP - פחות הפעלה של PKA
- דה-פוספורילציה - כיבוי PKA
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
טוקסין כולרה - דוגמה קלינית
הטוקסין של Vibrio cholerae גורם לקישור של ADP-Ribose ל-$G_s\alpha$.
התוצאה: הפעלה מתמדת של Adenylyl Cyclase → שלשולים חמורים
חלק ד’: דוגמה נוספת ל-GPCR - מסלול $\ce{IP3}$ ו-DAG
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
| שליח | פעולה |
|---|---|
| $\ce{IP3}$ | נקשר לתעלה ב-ER → שחרור $\ce{Ca^{2+}}$ |
| DAG | נשאר בממברנה, מפעיל PKC יחד עם $\ce{Ca^{2+}}$ |
חלק ה’: פוטורצפטורים בעין - Rods and Cones
מבנה תאי הראייה
- Cones (קונוסים) - קליטת צבעים
- Rods (מוטות) - ראייה בתנאי חושך
מבנה הרוד
- Outer Segment - דיסקיות עם רודופסין
- Connecting Cilium - סיליה ראשונית להובלת חלבונים (IFT - Intraflagellar Transport)
- Inner Segment - סינתזת חלבונים
- סינפסה - העברת הסיגנל
מנגנון קליטת האור
הרודופסין = GPCR + כרומופור
- אופסין - החלבון (GPCR)
- 11-cis Retinal - הכרומופור שקושר אור
שלבי התהליך
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
- ירידה ב-$\ce{Ca^{2+}}$ → הפעלת Guanylyl Cyclase (GC)
- GC יוצר cGMP מ-GTP
- 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
חלק ו’: Tyrosine Kinase Receptor - רצפטור האינסולין
מבנה הרצפטור
- α-subunit - חוץ-תאי
- β-subunit - טרנס-ממברנלי, בעל פעילות קינאז
מנגנון הפעולה של הרצפטור
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
מונחים חשובים
- אוטו-פוספורילציה בטרנס - יחידה אחת מפספרלת את היחידה השנייה (לא את עצמה)
- קינאז - אנזים שעושה פוספורילציה (מוסיף פוספט)
- פוספטאז - אנזים שמוריד פוספט (דה-פוספורילציה)
- קסקדה - תהליך רב-שלבי שיורד “כמו מפל”
שיעורי בית
לשיעור הבא: לעבור על ביואנרגטיקה - שני שקפים על תרמודינמיקה:
- אנרגיה חופשית (Free Energy)
- אנתלפיה (Enthalpy)
- אנטרופיה (Entropy)
שאלות לדוגמה מהשיעור
שאלה 1
גבר בן 32 עם עייפות כרונית, ירידה בלחץ דם, קושי בריכוז. בבדיקות דם: גלוקוז נמוך, קורטיזול נמוך. חשד לפגיעה במסלול β-אדרנרגי.
מהו המנגנון הפגוע?
- חוסר הפעלה של Gs והפחתת cAMP
- עיכוב בפוספורילציה ע”י MAP Kinase
- ירידה בזרחון הרצפטור לאחר קישור ליגנד
- ירידה בתעלות cGMP-gated
- עלייה ברמות cGMP לאחר קישור לאדרנלין
שאלה 2
נער בן 16 עם קושי בראייה בחושך. תפקוד לקוי של תאי Rods.
מהו המנגנון הפגוע?
- פירוק cGMP ע”י Phosphodiesterase
- פירוק Transducin לאחר הפעלה
- הפעלת Adenylyl Cyclase
- זרחון Tyrosine ברצפטור אינסולין
- עלייה ברמות cGMP לאחר קישור לאדרנלין
מילון מונחים
| מונח | הגדרה |
|---|---|
| GPCR | G Protein-Coupled Receptor - רצפטור הקשור לחלבון G |
| cAMP | Cyclic AMP - שליח שניוני |
| PKA | Protein Kinase A - קינאז המופעל ע”י cAMP |
| Adenylyl Cyclase | אנזים היוצר cAMP מ-ATP |
| PDE | Phosphodiesterase - מפרק cGMP/cAMP |
| GC | Guanylyl Cyclase - יוצר cGMP מ-GTP |
| $K_d$ | קבוע דיסוציאציה - נמוך = אפיניות גבוהה |
| $K_a$ | קבוע אסוציאציה - גבוה = אפיניות גבוהה |
| אלוסטרי | שינוי מבני במקום שונה מאתר הקישור |
| קסקדה | שרשרת תגובות שכל אחת מפעילה את הבאה |