שאלה קלינית - פתיחה

תרחיש

מטופל מגיע לבדיקה שגרתית. בדיקות מעבדה מראות ריכוזים גבוהים של ציטראט בדם.

משמעות

  • ציטראט הוא תוצר ביניים של מעגל קרבס
  • ריכוז גבוה מעיד על פעילות טובה של מעגל קרבס
  • מעידה על מאגרי אנרגיה מלאים

השפעה על גליקוליזה

ציטראט מעכב את הגליקוליזה (נראה בהמשך כיצד).

גלוקונאוגנזה - יצירת גלוקוז

הגדרה

גלוקונאוגנזה = יצירת גלוקוז ממקורות שאינם פחמימות.

מתי צריך?

  • במצבי רעב/צום
  • המוח דורש גלוקוז באופן קבוע
  • שמירה על רמות גלוקוז בדם

היחס לגליקוליזה

בגליקוליזה יש שלושה שלבים חד-כיווניים שדורשים מעקפים:

שלב בגליקוליזה אנזים מעקף בגלוקונאוגנזה
10 Pyruvate Kinase Pyruvate Carboxylase + PEPCK
3 PFK-1 FBPase-1
1 Hexokinase Glucose-6-phosphatase

מעקף 1: מפירובאט ל-PEP

שלב א’: פירובאט לאוקסלואצטט

אנזים: Pyruvate Carboxylase (פירובאט קרבוקסילאז)

\[\ce{Pyruvate + HCO3^- + ATP ->[Biotin] Oxaloacetate + ADP + P_i}\]

מאפיינים:

  • דורש ביוטין (קו-פקטור)
  • מתרחש במיטוכונדריה
  • הביוטין קושר $\ce{CO2}$ ומעביר אותו פיזית לפירובאט

בעיה: אוקסלואצטט לא יכול לצאת מהמיטוכונדריה

פתרון - מעבר דרך מלאט:

במיטוכונדריה:

\[\ce{Oxaloacetate + NADH -> Malate + NAD+}\]

למלאט יש טרנספורטר (Malate-Aspartate Shuttle) ← יוצא לציטוזול

בציטוזול:

\[\ce{Malate + NAD+ -> Oxaloacetate + NADH}\]

חשוב: התהליך הזה מעביר כוח מחזר (NADH) מהמיטוכונדריה לציטוזול - נדרש לגלוקונאוגנזה!

שלב ב’: אוקסלואצטט ל-PEP

אנזים: PEP Carboxykinase (PEPCK)

\[\ce{Oxaloacetate + GTP -> PEP + GDP + CO2}\]

מאפיינים:

  • משתמש ב-GTP (לא ATP!)
  • פוספורילציה + דקרבוקסילציה
  • מתרחש בציטוזול

מצב מיוחד: כשיש לקטאט

כאשר יש חוסר בחמצן ונוצר לקטאט:

\[\ce{Lactate + NAD+ ->[LDH] Pyruvate + NADH}\]

במקרה זה, PEPCK פועל בתוך המיטוכונדריה (לא בציטוזול).

מעקף 2: F-1,6-BP ל-F-6-P

אנזים: Fructose-1,6-bisphosphatase-1 (FBPase-1)

\[\ce{Fructose-1,6-bisphosphate + H2O -> Fructose-6-phosphate + P_i}\]

הסרת פוספאט (הידרוליזה).

מעקף 3: G-6-P לגלוקוז

אנזים: Glucose-6-phosphatase

\[\ce{Glucose-6-phosphate + H2O -> Glucose + P_i}\]

מיקום: ב-ER של תאי כבד, כליות ומעי בלבד!

חשוב: האנזים הזה קיים רק בכבד, כליות ומעי. לכן גלוקונאוגנזה מתרחשת רק שם!

הגלוקוז שנוצר יוצא לדם ומגיע לאיברים אחרים (כמו המוח).

עלות אנרגטית של גלוקונאוגנזה

ליצירת מולקולת גלוקוז אחת נדרשים:

  • 2 מולקולות פירובאט
  • 4 ATP
  • 2 GTP
  • 2 NADH

תהליך יקר מאוד! אבל הכרחי - “מוח ללא סוכר = מוח לא פעיל”

רגולציה של גליקוליזה

עיקרון מנחה

שלושת השלבים החד-כיווניים הם נקודות הרגולציה העיקריות:

  1. Hexokinase (שלב 1)
  2. PFK-1 (שלב 3)
  3. Pyruvate Kinase (שלב 10)

רגולציה של Hexokinase

איזואנזימים

יש 4 איזואנזימים של Hexokinase בגוף:

איזואנזים מיקום $K_M$ מאפיינים
Hexokinase 1-2 שריר נמוך (~0.1 mM) אפיניות גבוהה לגלוקוז
Hexokinase 4 (Glucokinase) כבד גבוה (~10 mM) אפיניות נמוכה לגלוקוז

Hexokinase 2 (בשריר)

  • $K_M$ נמוך ← מגיע ל-$V_{max}$ בריכוזי גלוקוז נמוכים
  • מעוכב על ידי התוצר: $\ce{Glucose-6-phosphate}$
  • כשיש הרבה G-6-P ← האנזים מעוכב ← מאט את הקצב

Hexokinase 4 / Glucokinase (בכבד)

  • $K_M$ גבוה $(\sim 10 \, \mathrm{mM})$ ← פעיל רק בריכוזי גלוקוז גבוהים
  • מווסת על ידי ריכוז הגלוקוז בדם (לא על ידי G-6-P)

מנגנון רגולציה מיוחד:

בנוכחות Fructose-6-phosphate (תוצר גליקוליזה):

  • חלבון רגולטורי (GKRP) קושר את Hexokinase 4
  • מושך אותו לתוך גרעין התא
  • הפרדה פיזית מהמסלול ← עיכוב הגליקוליזה

בנוכחות גלוקוז גבוה:

  • האפיניות בין GKRP ל-Hexokinase 4 יורדת
  • האנזים חוזר לציטוזול ← גליקוליזה פעילה

רגולציה של PFK-1

מעכבים (תוצרים = “יש מספיק אנרגיה”)

מעכב משמעות
ATP (ריכוז גבוה) יש מספיק אנרגיה
ציטראט מעגל קרבס פעיל, מאגרי אנרגיה מלאים

מעודדים (מגיבים = “צריך אנרגיה”)

מעודד משמעות
AMP מחסור ב-ATP
ADP מחסור ב-ATP
Fructose-2,6-bisphosphate רגולטור מפתח!

ATP - תפקיד כפול

  • ATP הוא מצע של PFK-1 (נדרש לריאקציה)
  • ATP הוא גם מעכב אלוסטרי (בריכוז גבוה)

יש שני אתרי קישור ל-ATP על האנזים!

Fructose-2,6-bisphosphate - רגולטור המפתח

מה זה?

  • לא חלק ממסלול הגליקוליזה!
  • מולקולה רגולטורית בלבד
  • נוצרת מ-Fructose-6-phosphate

הבדל מ-F-1,6-BP

מולקולה תפקיד אנזים יוצר
Fructose-1,6-bisphosphate תוצר ביניים בגליקוליזה PFK-1
Fructose-2,6-bisphosphate רגולטור של PFK-1 PFK-2

פעולה

  • מעודד את PFK-1 (גליקוליזה)
  • מעכב את FBPase-1 (גלוקונאוגנזה)

← קובע את האיזון בין צריכת גלוקוז לייצורו!

יצירה ופירוק

PFK-2 (Phosphofructokinase-2):

\[\ce{Fructose-6-phosphate + ATP ->[PFK-2] Fructose-2,6-bisphosphate + ADP}\]

FBPase-2 (Fructose-2,6-bisphosphatase):

\[\ce{Fructose-2,6-bisphosphate + H2O ->[FBPase-2] Fructose-6-phosphate + P_i}\]

שני האנזימים נמצאים על אותו חלבון! (Bifunctional enzyme)

רגולציה הורמונלית של PFK-2/FBPase-2

אינסולין (גלוקוז גבוה בדם)

  1. אינסולין מופרש
  2. מפעיל Protein Phosphatase
  3. מסיר פוספט מהאנזים הדו-תפקודי
  4. PFK-2 פעיל ← נוצר F-2,6-BP
  5. F-2,6-BP מעודד PFK-1 ← גליקוליזה פעילה

גלוקגון (גלוקוז נמוך בדם)

  1. גלוקגון מופרש
  2. מפעיל cAMP ← PKA (Protein Kinase A)
  3. PKA מוסיף פוספט לאנזים הדו-תפקודי
  4. FBPase-2 פעיל ← F-2,6-BP מפורק
  5. PFK-1 לא מעודד + FBPase-1 פעיל ← גלוקונאוגנזה פעילה

סיכום

הורמון מצב גלוקוז אנזים פעיל תוצאה
אינסולין גבוה PFK-2 גליקוליזה ↑
גלוקגון נמוך FBPase-2 גלוקונאוגנזה ↑

רגולציה של Pyruvate Kinase

בכבד - רגולציה הורמונלית

גלוקגון (מחסור בגלוקוז):

  • מפעיל PKA
  • PKA מבצע פוספורילציה על Pyruvate Kinase L
  • האנזים מעוכב
  • גליקוליזה מואטת ← גלוקונאוגנזה מועדפת

מצב תקין:

  • Protein Phosphatase מסיר את הפוספט
  • Pyruvate Kinase פעיל

בתאים אחרים - רגולציה אלוסטרית

מעכבים:

  • Acetyl-CoA - תוצר, מעיד על מאגרי אנרגיה מלאים
  • חומצות שומן - מקור אנרגיה חלופי
  • ATP - יש מספיק אנרגיה
  • Alanine - חומצת אמינו שמעידה על זמינות חומרי גלם

מעודד:

  • Fructose-1,6-bisphosphate - מגיב, דוחף את התהליך קדימה

גורל הפירובאט

לפירובאט יש שני מסלולים אפשריים:

1. גלוקונאוגנזה

\[\ce{Pyruvate ->[Pyruvate Carboxylase] Oxaloacetate -> ... -> Glucose}\]

2. מעגל קרבס

\[\ce{Pyruvate ->[PDH Complex] Acetyl-CoA -> Krebs Cycle}\]

Acetyl-CoA:

  • תוצר של הכניסה למעגל קרבס
  • מעכב גליקוליזה (Pyruvate Kinase)
  • מעודד גלוקונאוגנזה (Pyruvate Carboxylase)

מעגל הפנטוזות (Pentose Phosphate Pathway)

מטרות המסלול

  1. ייצור NADPH - לסביבה מחזרת ולסינתזה של חומצות שומן
  2. ייצור Ribose-5-phosphate - לסינתזת נוקלאוטידים (DNA, RNA)

הריאקציה הכללית

\[\ce{Glucose-6-phosphate + 2NADP+ + H2O -> Ribose-5-phosphate + 2NADPH + 2H+ + CO2}\]

מבנה המסלול

שלב חמצוני (בלתי הפיך):

\[\ce{Glucose-6-phosphate ->[G6PD] 6-phosphoglucono-\delta-lactone ->[...] Ribose-5-phosphate}\]
  • יוצר 2 NADPH לכל גלוקוז
  • יוצר Ribose-5-phosphate

שלב לא-חמצוני (הפיך):

  • אם אין צורך ב-Ribose ← המולקולה מוחזרת ל-Glucose-6-phosphate
  • אנזימים: Transketolase, Transaldolase

רגולציה

NADPH מעכב את המסלול (עיכוב על ידי תוצר).

G6PD Deficiency - מחסור באנזים

הרקע

G6PD (Glucose-6-phosphate Dehydrogenase) - האנזים הראשון במעגל הפנטוזות.

תפקיד NADPH

NADPH נדרש לשמירה על סביבה מחזרת בתא:

\[\ce{H2O2 ->[Glutathione Peroxidase] H2O}\]

הריאקציה דורשת גלוטתיון מחוזר (GSH):

\[\ce{GSSG + NADPH ->[Glutathione Reductase] 2GSH + NADP+}\]

מה קורה במחסור?

  1. אין מספיק NADPH
  2. לא ניתן לחזר גלוטתיון
  3. הצטברות של רדיקלים חופשיים ($\ce{H2O2}$)
  4. נזק לתאי דם אדומים ← המוליזה (התפרקות כדוריות)

פאביזם (Favism)

  • רגישות לפול (Fava beans)
  • הפול מכיל Vicine - חומר שיוצר רדיקלים
  • אנשים עם מחסור ב-G6PD לא יכולים לנטרל את הרדיקלים
  • גורם להמוליזה חריפה

סיכום - נקודות מפתח

גלוקונאוגנזה

  • 3 מעקפים לשלבים החד-כיווניים
  • מתרחשת בכבד, כליות ומעי בלבד
  • עלות: $4 \ce{ATP} + 2 \ce{GTP} + 2 \ce{NADH}$

רגולציה

  • תוצרים מעכבים (ATP, ציטראט, Acetyl-CoA)
  • מגיבים מעודדים (AMP, ADP, F-1,6-BP)
  • F-2,6-BP - רגולטור מפתח בין גליקוליזה לגלוקונאוגנזה
  • רגולציה הורמונלית: אינסולין vs גלוקגון

מעגל הפנטוזות

  • מייצר NADPH ו-Ribose-5-phosphate
  • חיוני לסביבה מחזרת
  • מחסור ב-G6PD ← המוליזה

עיקרון מנחה

איזון עדין בין מגיבים לתוצרים קובע את כיוון המטבוליזם!

הכל מבוסס על:

  • רמות ATP/AMP/ADP
  • זמינות גלוקוז
  • הורמונים (אינסולין/גלוקגון)
  • תוצרי ביניים (ציטראט, Acetyl-CoA)
דור פסקל
חזור לשיעור הקודם