רקע - העברת סיגנלים בתא
בשיעורים הקודמים דיברנו על ארבעה סוגים של העברת סיגנלים בתא:
- $\text{G Protein-Coupled Receptors (GPCRs)}$ - הרצפטור וה-$\text{G-protein}$ עובדים כישות אחת
- Tyrosine Kinase - קולטנים עם פעילות קינאז
- תעלות יונים - למשל בקלציום, ברודופסין
- cAMP - שליח שניוני
מבוא למטבוליזם
הגדרות
המטבוליזם מחולק לשני חלקים:
- אנאבוליזם - בנייה של מולקולות
- קטאבוליזם - פירוק של מולקולות
השיעור הנוכחי יעסוק בגליקוליזה - קטאבוליזם של פחמימות (פירוק גלוקוז).
תהליך הגליקוליזה - סקירה כללית
פירוק גלוקוז לפירובאט תוך:
- יצירה של אבני בניין
- שחרור מטבעות אנרגיה
- יצירת נשאי אלקטרונים
PET-CT ותופעת ורבורג
בדיקת PET-CT
- PET - Positron Emission Tomography
- CT - רקמות לבנות
בבדיקה משתמשים באנלוג של גלוקוז מסומן באיזוטופ רדיואקטיבי.
ממצאים:
- סיגנל חזק במוח (צרכן הגלוקוז הגדול ביותר - 120 גרם ליום)
- סיגנל בשלפוחית השתן
- גידולים סרטניים מראים צריכה גבוהה של גלוקוז
תופעת ורבורג (Warburg Effect)
בסרטן יש עלייה בצריכת הגלוקוז בגלל:
- סביבה אנאירובית בגידולים (לוקח זמן עד שנוצרים כלי דם)
- עלייה בביטוי אנזימים של גליקוליזה
- עלייה בפקטורי שעתוק שמעלים סינתזה של אנזימי גליקוליזה
יישום קליני: מושקע הרבה מחקר בעיכוב אנזימי גליקוליזה כטיפול אנטי-סרטני.
ארבעה מסלולים לגלוקוז בבעלי חיים
- סינתזה של פוליסכרידים
- אחסון של גליקוגן (בעיקר בכבד)
- פירוק לפירובאט (גליקוליזה) - נושא השיעור
- מעגל הפנטוזות - בשיעור הבא
הגליקוליזה - עשרה שלבים
מאפיינים כלליים
- תהליך שמור מאוד מבחינה אבולוציונית
- קיים כמעט בכל האורגניזמים (בעלי חיים, צמחים)
- מתרחש בציטוזול
סיכום כללי
\[\ce{Glucose + 2NAD+ + 2ADP + 2P_i -> 2Pyruvate + 2NADH + 2ATP + 2H2O}\]- קלט: גלוקוז אחד (6 פחמנים)
- פלט: 2 מולקולות פירובאט (3 פחמנים כל אחת)
- השקעה: $\ce{2 ATP}$ (בשלב ההכנה)
- רווח: $\ce{4 ATP}$ (בשלב הרווח)
- נטו: $\ce{2 ATP + 2 NADH}$
אנרגטיקה
התהליך הוא אקסרגוני (ספונטני):
\[\Delta G°' = -146 \text{ kJ/mol}\]הערה חשובה: המספרים של $\Delta G°’$ הם בתנאים סטנדרטיים. בתוך התא, היחס בין תוצרים למגיבים משנה את האנרגיה החופשית בפועל.
שלב ההכנה (שלבים 5-1)
שלב 1: פוספורילציה של גלוקוז
אנזים: Hexokinase (הקסוקינאז)
\[\ce{Glucose + ATP ->[Hexokinase][Mg^{2+}] Glucose-6-phosphate + ADP}\]מאפיינים:
- תהליך חד-כיווני ($\Delta G$ שלילי)
- דורש $\ce{Mg^{2+}}$
- יש ארבעה סוגים של הקסוקינאז בגוף (איזואנזימים - עושים אותו דבר אבל עם קבועי קצב/רגולציה שונים)
חשיבות הפוספורילציה:
- נעילה בתא - אין טרנספורטרים לסוכרים מזורחנים על הממברנה
- לגלוקוז יש טרנספורטרים
- לגלוקוז-6-פוספאט אין טרנספורטרים
- ברגע שזירחנו - “נעלנו” את המולקולה בתא
- הורדת אנרגיית האקטיבציה - יציבות כימית
שלב 2: איזומריזציה
אנזים: Phosphoglucose Isomerase (פוספו-גלוקוז איזומראז)
\[\ce{Glucose-6-phosphate <=> Fructose-6-phosphate}\]מאפיינים:
- המרה מאלדוז לקטוז
- אלדוז: קשר כפול עם חמצן בקצה השרשרת
- קטוז: קשר כפול עם חמצן בתוך השרשרת
- $\Delta G°’$ חיובי (קרוב לאפס)
- תהליך הפיך
שלב 3: פוספורילציה שנייה (שלב ההתחייבות!)
אנזים: Phosphofructokinase-1 (PFK-1) ⭐
\[\ce{Fructose-6-phosphate + ATP ->[PFK-1][Mg^{2+}] Fructose-1,6-bisphosphate + ADP}\]מאפיינים:
- תהליך חד-כיווני ($\Delta G$ שלילי מאוד)
- אנזים מפתח בתהליך הגליקוליזה
- דורש $\ce{Mg^{2+}}$
⚠️ שלב ההתחייבות למסלול:
- עד שלב 3: התוצרים יכולים ללכת למסלולים אחרים
- אחרי PFK-1: המולקולה מחויבת לגליקוליזה וליצירת פירובאט
שלב 4: פיצול המולקולה
אנזים: Aldolase (אלדולאז)
\[\ce{Fructose-1,6-bisphosphate -> DHAP + G3P}\]- DHAP = Dihydroxyacetone phosphate (דיהידרוקסיאצטון פוספאט)
- G3P = Glyceraldehyde-3-phosphate (גליצראלדהיד-3-פוספאט)
מאפיינים:
- $\Delta G°’$ חיובי, אבל בתא קרוב לאפס בגלל יחס הריכוזים
- פיצול הקסוז (6 פחמנים) לשני טריוזים (3 פחמנים כל אחד)
שלב 5: איזומריזציה של DHAP
אנזים: Triose Phosphate Isomerase (טריוז פוספאט איזומראז)
\[\ce{DHAP <=> G3P}\]מאפיינים:
- המרה מקטוז לאלדוז
- רק G3P יכול להמשיך בגליקוליזה
- מגלוקוז אחד נוצרות 2 מולקולות G3P
סיכום שלב ההכנה:
- השקענו 2 ATP
- פיצלנו גלוקוז ל-2 מולקולות G3P
- מכאן כל החישובים כפול 2!
שלב הרווח (שלבים 10-6)
שלב 6: חמצון וזרחון
אנזים: Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase (G3P דהידרוגנאז)
\[\ce{G3P + NAD+ + P_i -> 1,3-BPG + NADH + H+}\]
- 1,3-BPG = 1,3-Bisphosphoglycerate
מאפיינים:
- הפוספאט מגיע מפוספאט אנאורגני (לא מ-ATP!)
- יצירת $\ce{NADH}$ - נשא אלקטרונים
- $\Delta G°’$ חיובי
שלב 7: יצירת ATP ראשונה
אנזים: Phosphoglycerate Kinase (פוספוגליצראט קינאז)
\[\ce{1,3-BPG + ADP -> 3-phosphoglycerate + ATP}\]מאפיינים:
- $\Delta G°’$ שלילי מאוד
- שלבים 6 ו-7 מצומדים אנרגטית - שלב 7 דוחף את שלב 6
הערה על שם האנזים: השם נובע מהמסלול ההפוך (גלוקונאוגנזה) שבו זוהה האנזים.
שלב 8: העברת קבוצה פונקציונלית
אנזים: Phosphoglycerate Mutase (פוספוגליצראט מוטאז)
\[\ce{3-phosphoglycerate <=>[Mg^{2+}] 2-phosphoglycerate}\]מאפיינים:
- מוטאז = סוג של איזומראז שמעביר קבוצה פונקציונלית ממקום אחד לשני באותה מולקולה
- העברת קבוצת פוספוריל מפחמן 3 לפחמן 2
- דורש $\ce{Mg^{2+}}$
שלב 9: דהידרציה
אנזים: Enolase (אנולאז)
\[\ce{2-phosphoglycerate -> PEP + H2O}\]- PEP = Phosphoenolpyruvate (פוספואנול פירובאט)
מאפיינים:
- יציאת מולקולת מים (דהידרציה)
שלב 10: יצירת ATP שנייה ופירובאט
אנזים: Pyruvate Kinase (פירובאט קינאז)
\[\ce{PEP + ADP ->[Mg^{2+}, K+] Pyruvate + ATP}\]מאפיינים:
- תהליך חד-כיווני ($\Delta G$ שלילי מאוד)
- דורש $\ce{Mg^{2+}}$ ו-$\ce{K+}$
- הפירובאט נוצר בצורת אנול ועובר טאוטומריזציה למצב קטו
סיכום הגליקוליזה
| שלב | אנזים | תהליך | $\Delta G$ | הפיך? |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Hexokinase | פוספורילציה | שלילי | ❌ |
| 2 | Phosphoglucose Isomerase | איזומריזציה | ~0 | ✅ |
| 3 | PFK-1 | פוספורילציה | שלילי מאוד | ❌ |
| 4 | Aldolase | פיצול | חיובי (בתא ~0) | ✅ |
| 5 | Triose Phosphate Isomerase | איזומריזציה | ~0 | ✅ |
| 6 | G3P Dehydrogenase | חמצון | חיובי | ✅ |
| 7 | Phosphoglycerate Kinase | יצירת ATP | שלילי | ✅ |
| 8 | Phosphoglycerate Mutase | מוטציה | ~0 | ✅ |
| 9 | Enolase | דהידרציה | ~0 | ✅ |
| 10 | Pyruvate Kinase | יצירת ATP | שלילי מאוד | ❌ |
מטבעות אנרגיה:
- ATP: רווח נטו של 2
- NADH: רווח של 2
מקורות סוכרים למסלול הגליקוליזה
מסלול 3-1: גליקוגן מאוחסן
גליקוגן מאוחסן בעיקר בכבד.
פירוק:
- Phosphorylase (פוספורילאז): $\ce{Glycogen -> Glucose-1-phosphate}$
- Phosphoglucomutase (פוספוגלוקומוטאז): $\ce{Glucose-1-phosphate -> Glucose-6-phosphate}$
מסלול 4: עמילן מהתזונה
עמילן מהתזונה כולל שני סוגים:
- עמילוז - שרשרת אחת ללא פיצול
- עמילופקטין - עם פיצולים
פירוק בפה:
- α-Amylase (אלפא-עמילאז) מפרק קשרי α-1,4
- נמצא ברוק
בקיבה:
- האלפא-עמילאז נפסק לעבוד בגלל ה-pH החומצי
בלבלב:
- משחרר α-Amylase נוסף
- מפרק קשרי α-1,6 (הפיצולים)
תוצרים:
- מלטוז
- מלטוטריוז
- דקסטרינים
מסלול 5: הידרוליזה במעי
הידרולאזות על דופן המעי (גליקופרוטאינים ממברנליים):
| אנזים | סובסטרט | תוצרים |
|---|---|---|
| Maltase | מלטוז | גלוקוז + גלוקוז |
| Dextrinase | דקסטרינים | גלוקוז |
| Lactase | לקטוז | גלקטוז + גלוקוז |
| Sucrase/Isomaltase | סוכרוז | פרוקטוז + גלוקוז |
חשוב: רק מונוסכרידים ודיסכרידים יכולים להיספג במעי!
אי-סבילות ללקטוז
הרקע
- לקטאז - האנזים שמפרק לקטוז
- כיונקים, יש לנו לקטאז בינקות (תזונה על חלב אם)
- כשני שליש מהאוכלוסייה מאבדים את האנזים לקטאז עם הגיל
מה קורה באי-סבילות?
- לקטוז לא מתפרק
- ממשיך למעי הגס
- מיקרואורגניזמים מפרקים אותו
- מטבוליטים מעלים את האוסמולריות
- תסמינים: שלשולים, גזים, נפיחות בבטן
אבחון
בדיקת רמת גלוקוז בדם לאחר צריכת לקטוז:
- יש לקטאז ← עלייה ברמת הגלוקוז
- אין לקטאז ← אין עלייה
גלקטוזמיה
המסלול של גלקטוז
גלקטוז (מפירוק לקטוז) עובר מסלול נפרד להפיכה לגלוקוז-1-פוספאט:
\[\ce{Galactose -> UDP-Galactose -> ... -> Glucose-1-phosphate}\]הפרעה במסלול
פגיעה באחד מהאנזימים במסלול גורמת לגלקטוזמיה.
תוצאה - קטרקט:
- גלקטוז לא מתפרק
- עובר שינוי על ידי Aldose Reductase
- נוצר גלקטיטול
- מצטבר בעין
- גורם לדיפוזיה של נוזלים ← קטרקט
טיפול: הימנעות ממוצרי לקטוז
מסלול 6: פרוקטוז
בשריר ובכליות
\[\ce{Fructose + ATP ->[Hexokinase] Fructose-6-phosphate + ADP}\]נכנס ישירות לגליקוליזה בשלב 2.
בכבד
-
Fructokinase: $\ce{Fructose + ATP -> Fructose-1-phosphate + ADP}$
-
Aldolase: $\ce{Fructose-1-phosphate -> DHAP + Glyceraldehyde}$
-
המשך:
- DHAP ← נכנס לשלב 5
- Glyceraldehyde ← עם Triose Phosphate Isomerase ← G3P ← שלב 5
מסלול 7: מנוז
\[\ce{Mannose ->[Hexokinase + ATP] Mannose-6-phosphate ->[Isomerase] Fructose-6-phosphate}\]תנאים אירוביים vs אנאירוביים
מסלול אירובי
\[\ce{Glucose -> Pyruvate -> Acetyl-CoA -> Krebs Cycle}\]- $\ce{NADH}$ נוצר בגליקוליזה
- $\ce{NADH}$ מוחזר ל-$\ce{NAD+}$ בשרשרת מעבר האלקטרונים
- רווח אנרגטי מקסימלי
מסלול אנאירובי - תסיסה לקטית
כאשר אין חמצן (למשל בפעילות גופנית אינטנסיבית):
\[\ce{Pyruvate + NADH ->[Lactate Dehydrogenase] Lactate + NAD+}\]מאפיינים:
- הפירובאט מחוזר ללקטאט
- $\ce{NADH}$ מחומצן ל-$\ce{NAD+}$
- ה-$\ce{NAD+}$ חוזר לגליקוליזה
אפקט פסטר (Pasteur Effect)
בתנאים אנאירוביים יש צריכה גבוהה יותר של גלוקוז מאשר בתנאים אירוביים.
הסיבה:
- בגליקוליזה בלבד מנצלים רק חלק קטן מהאנרגיה
- פירוק מלא של גלוקוז: $\Delta G = -2840 \, \mathrm{kJ/mol}$
- גליקוליזה בלבד: $\Delta G = -146 \, \mathrm{kJ/mol}$
- צריך יותר גלוקוז כדי לייצר מספיק $\mathrm{ATP}$
חשיבות ה-$\ce{NAD+}$
- אין $\ce{NAD+}$ = אין גליקוליזה
- $\ce{NAD+}$ נדרש בשלב 6
- בתנאים אירוביים: $\ce{NADH}$ מוחזר ל-$\ce{NAD+}$ בשרשרת מעבר האלקטרונים
- בתנאים אנאירוביים: $\ce{NADH}$ מוחזר ל-$\ce{NAD+}$ על ידי תסיסה ללקטאט
גורל הלקטאט
הלקטאט יכול לחזור לכבד ולהפוך בחזרה לגלוקוז (מחזור קורי).
גלוקונאוגנזה - מבוא
הגדרה
גלוקונאוגנזה = יצירת גלוקוז ממקורות שאינם פחמימות.
מתי צריך?
- במצבי רעב
- כשהמוח צריך גלוקוז (צרכן עיקרי)
היחס לגליקוליזה
גלוקונאוגנזה ≠ תהליך הפוך לגליקוליזה
יש 3 שלבים חד-כיווניים בגליקוליזה, ולכן יש 3 מעקפים בגלוקונאוגנזה:
| שלב בגליקוליזה | מעקף בגלוקונאוגנזה |
|---|---|
| Pyruvate → PEP | דרך Oxaloacetate |
| F-1,6-BP → F-6-P | אנזים אחר |
| G-6-P → Glucose | אנזים אחר |
מעקף 1: מפירובאט ל-PEP
שלב א’ - במיטוכונדריה:
\[\ce{Pyruvate + CO2 + ATP ->[Pyruvate Carboxylase] Oxaloacetate + ADP + P_i}\]- דורש ביוטין
- שלב מרוגל
בעיה: Oxaloacetate לא יכול לצאת מהמיטוכונדריה!
פתרון - מעבר למלאט:
\[\ce{Oxaloacetate + NADH ->[MDH] Malate + NAD+}\]- למלאט יש טרנספורטר
- יוצא לציטוזול
בציטוזול:
\[\ce{Malate + NAD+ ->[MDH] Oxaloacetate + NADH}\]שלב ב’ - בציטוזול:
\[\ce{Oxaloacetate + GTP ->[PEP Carboxykinase] PEP + GDP + CO2}\]- פוספורילציה ודקרבוקסילציה
- שימוש ב-GTP (לא ATP!)
- התוצר PEP כבר חלק מהגליקוליזה
הערות לסיכום
- במבחן: המסלול יינתן עם שמות המגיבים, התוצרים והאנזימים - לא צריך לשנן
- שיעור הבא: המשך גלוקונאוגנזה, רגולציה של גליקוליזה, מעגל הפנטוזות
- פירוק גליקוגן - יש שיעור ייעודי