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
- קטבוליזם - פירוק של מולקולות
השיעור הנוכחי יעסוק בגליקוליזה - קטבוליזם של פחמימות (פירוק גלוקוז).
תהליך הגליקוליזה - סקירה כללית
פירוק גלוקוז לפירובט 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 לפירובט (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: שתי מולקולות פירובט (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 פירובט
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 לשתי מולקולות G3P
- מכאן כל החישובים מוכפלים ב-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 פירובט)
מאפיינים:
- יציאת מולקולת מים (דהידרציה)
שלב 10: יצירת ATP שנייה ופירובט
אנזים: Pyruvate Kinase (פירובט קינאז)
\[\ce{PEP + ADP ->[Mg^{2+}, K+] Pyruvate + ATP}\]מאפיינים:
- תהליך חד-כיווני ($\Delta G$ שלילי מאוד)
- דורש $\ce{Mg^{2+}}$ ו-$\ce{K+}$
- הפירובט נוצר בצורת אנול ועובר טאוטומריזציה למצב קטו
סיכום הגליקוליזה
| שלב | אנזים | תהליך | $ΔG°'$ | הפיך? |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Hexokinase | פוספורילציה | שלילי | לא |
| 2 | Phosphoglucose Isomerase | איזומריזציה | קרוב לאפס | כן |
| 3 | PFK-1 | פוספורילציה (שלב התחייבות) | שלילי מאוד | לא |
| 4 | Aldolase | פיצול | חיובי (בתא קרוב לאפס) | כן |
| 5 | Triose Phosphate Isomerase | איזומריזציה | קרוב לאפס | כן |
| 6 | G3P Dehydrogenase | חמצון | חיובי | כן |
| 7 | Phosphoglycerate Kinase | יצירת ATP | שלילי | כן |
| 8 | Phosphoglycerate Mutase | העברת פוספט | קרוב לאפס | כן |
| 9 | Enolase | דהידרציה | קרוב לאפס | כן |
| 10 | Pyruvate Kinase | יצירת ATP + פירובט | שלילי מאוד | לא |
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:
- הפירובט 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: מפירובט 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
שאלות מהתרגול
שאלה 1: שלב ההתחייבות בגליקוליזה
באיזה שלב בתהליך הגליקוליזה מתרחש השימוש הראשון ב-ATP, ומה המשמעות הביולוגית של שלב זה?
- ההפיכה של גלוקוז לגלוקוז-6-פוספט
- ההפיכה של גלוקוז-6-פוספט לפרוקטוז-6-פוספט
- ההפיכה של פרוקטוז-6-פוספט לפרוקטוז-1,6-ביספוספט
- ההפיכה של פירובט ללקטט.
תשובה
1. ההפיכה של גלוקוז לגלוקוז-6-פוספט
השימוש הראשון ב-ATP בגליקוליזה מתרחש בשלב שבו האנזים Hexokinase מזרחן את הגלוקוז והופך אותו ל-Glucose-6-phosphate.
זה שלב חשוב כי הוספת קבוצת הפוספט נותנת למולקולה מטען שלילי, שמונע ממנה לעבור בקלות דרך ממברנת התא ולצאת החוצה. כך התא “לוכד” את הגלוקוז בפנים, ומבטיח שהוא יישאר זמין להמשך תהליך הגליקוליזה.