שיעור 13 מטבוליזם של גליקוגן: פירוק, סינתזה ורגולציה

מבוא - למה גליקוגן?

הצורך במאגרי גלוקוז

יש צורך קריטי לשמור על רמות קבועות של גלוקוז בדם ובתאים:

גליקוגן = מחסן של גלוקוז בתאים

הבדל חשוב: גליקוגן מהתזונה vs. גליקוגן תוך-תאי

נקודה חשובה למבחן: גלוקוז-1-פוספט מגיע רק מפירוק גליקוגן תוך-תאי, לא מהתזונה!

חלק א’: מבנה הגליקוגן

מבנה כללי

הלב של כל מולקולת גליקוגן = חלבון גליקוגנין

מסביב לחלבון נקשרות מולקולות גלוקוז ויוצרות:

• שרשראות ליניאריות (קשר α-1,4)
• הסתעפויות (קשר α-1,6)

המבנה המסועף נותן שטח פנים גדול לאנזימים שמסנתזים או מפרקים.

ארגון פיזי - גרנולות

בטא גרנולות (β-granules)
        ↓
   ~20 ננומטר
   מולקולת גליקוגן אחת או כמה בודדות
   ~50,000 מולקולות גלוקוז
        ↓
אלפא גרנולות (α-granules)
   200-300 מולקולות גליקוגן
   מאגר מרכזי לשמירה על הומאוסטזיס

חלק ב’: פירוק גליקוגן (Glycogenolysis)

שלושת האנזימים המעורבים

תהליך הפירוק

שלב 1: גליקוגן פוספורילאז

שרשרת גליקוגן ──→ גלוקוז-1-פוספט + שרשרת מקוצרת
                    (קשר α-1,4)

• חותך מולקולות גלוקוז אחת אחת מהקצה הלא-מחזר
• עוצר 4 יחידות לפני ההסתעפות
• לא יכול לחתוך קשר α-1,6!

שלב 2: דה-ברנצ’ינג אנזים (שתי פעילויות!)

פעילות 1 - טרנספראז:

• לוקח 3 מולקולות גלוקוז מההסתעפות
• מעביר אותן לשרשרת הראשית

פעילות 2 - גלוקוזידאז:

• חותך את הגלוקוז האחרון (קשר α-1,6)
• משחרר גלוקוז חופשי (לא גלוקוז-1-פוספט!)

למבחן: רוב הגלוקוז משתחרר כגלוקוז-1-פוספט, אבל יש גם שחרור של גלוקוז חופשי מההסתעפויות!

שלב 3: פוספוגלוקומוטאז (מוטאז)

גלוקוז-1-פוספט ──→ גלוקוז-6-פוספט

• מוטאז = שינוי מבני באותה מולקולה
• מעביר את הפוספט מפחמן 1 לפחמן 6
• עכשיו המולקולה יכולה להיכנס לגליקוליזה!

מה קורה בכבד vs. שריר?

בשריר - לגליקוליזה

גלוקוז-6-פוספט ──→ גליקוליזה ──→ ATP

השריר “חושב על עצמו” - צריך אנרגיה לפעילות

בכבד - לשחרור לדם

גלוקוז-6-פוספט ──→ (ER) ──→ גלוקוז-6-פוספטאז ──→ גלוקוז
                                                    ↓
                                              GLUT2 → דם

התהליך בכבד:

1. גלוקוז-6-פוספט נכנס ל-ER דרך טרנספורטר
2. גלוקוז-6-פוספטאז (קיים רק בכבד!) מסיר את הפוספט
3. גלוקוז חופשי יוצא מה-ER לציטוזול
4. יוצא לדם דרך GLUT2

הכבד “חושב גלובלי” - שומר על רמות גלוקוז תקינות לכל הגוף

חלק ג’: סינתזה של גליקוגן (Glycogenesis)

UDP-גלוקוז - הסוכר הנוקלאוטידי

יצירת UDP-גלוקוז

גלוקוז ──→ גלוקוז-6-פוספט ──→ גלוקוז-1-פוספט
                                      ↓
                            UDP-גלוקוז פירופוספורילאז
                                      ↓
                    UTP + גלוקוז-1-פוספט → UDP-גלוקוז + PPi

למה UDP-גלוקוז?

גליקוגן סינתאז

התפקיד: מוסיף מולקולות גלוקוז לשרשרת הגליקוגן

UDP-גלוקוז + שרשרת גליקוגן ──→ שרשרת מוארכת + UDP
                              (קשר α-1,4)

• יוצר רק קשרים α-1,4 (ליניאריים)
• לא יכול להתחיל שרשרת חדשה מאפס!

גליקוגנין - הפריימר

שאלת מבחן נפוצה!

הבעיה: גליקוגן סינתאז לא יכול להתחיל סינתזה על חלבון גליקוגנין ישירות

הפתרון: גליקוגנין עושה אוטוקטליזה

התהליך

1. גליקוגנין קושר UDP-גלוקוז לטירוזין 194
2. מוסיף עוד מולקולות גלוקוז (אוטוקטליזה)
3. אחרי ~7 מולקולות גלוקוז - גליקוגן סינתאז מתחיל לעבוד

גליקוגנין ──→ גליקוגנין + 7 גלוקוזים ──→ גליקוגן סינתאז מתחיל
           (אוטוקטליזה)

ברנצ’ינג אנזים - יצירת הסתעפויות

התפקיד: יוצר קשרי α-1,6 (הסתעפויות)

התהליך

1. מחכה לשרשרת של 11+ יחידות גלוקוז
2. חותך קטע של ~7 גלוקוזים
3. מעביר ויוצר קשר α-1,6 חדש

שרשרת ליניארית (11+ גלוקוזים)
        ↓
ברנצ'ינג אנזים
        ↓
שרשרת + הסתעפות חדשה

חלק ד’: רגולציה של מטבוליזם גליקוגן

עקרון מרכזי

פירוק וסינתזה הם תהליכים הפוכים שמווסתים בצורה הפוכה!

רגולציה של גליקוגן פוספורילאז

שתי צורות של האנזים

מנגנון ההפעלה (בשריר)

אדרנלין / גלוקגון
        ↓
    GPCR → cAMP
        ↓
      PKA (פעיל)
        ↓
  פוספורילאז קינאז (פעיל)
        ↓
פוספורילאז b → פוספורילאז a (פעיל)
        ↓
   פירוק גליקוגן ↑

מנגנון הכיבוי

PP1 (פוספטאז)
        ↓
פוספורילאז a → פוספורילאז b (פחות פעיל)
        ↓
   פירוק גליקוגן ↓

הבדלים בין שריר לכבד

בשריר

• אדרנלין מפעיל את הפירוק
• סידן ($\ce{Ca^{2+}}$) גם מפעיל (סימן לכיווץ שרירים!)
• AMP מפעיל אלוסטרית (סימן לאנרגיה נמוכה)

בכבד

• גלוקגון מפעיל את הפירוק
• גלוקוז מעכב אלוסטרית (כשיש מספיק - לא צריך לפרק)
• איזואנזים שונה עם אתר קישור לגלוקוז

בכבד: כשיש הרבה גלוקוז בדם, גלוקוז נקשר לפוספורילאז ומחשוף את אתר הפוספורילציה ← PP1 מסיר פוספט ← האנזים נכבה

רגולציה של גליקוגן סינתאז

שתי צורות של האנזים

שימו לב! זה הפוך מפוספורילאז! פוספורילציה מכבה את הסינתאז

GSK-3 (Glycogen Synthase Kinase 3)

התפקיד: מפוספרל (מכבה) את גליקוגן סינתאז

מנגנון פעולה מיוחד

1. CK2 (קזאין קינאז 2) עושה פוספורילציה ראשונית (עמדה +4)
2. זה יוצר אתר עיגון ל-GSK-3
3. GSK-3 נקשר ועושה 3 פוספורילציות נוספות (עמדות 0, -4, -8)
4. הסינתאז נכבה

סינתאז a (פעיל)
      ↓ CK2 (פוספורילציה בעמדה +4)
      ↓ GSK-3 (3 פוספורילציות נוספות)
סינתאז b (לא פעיל)

למבחן: GSK-3 לא יכול לעבוד ישירות על הסינתאז - צריך קודם פוספורילציה על ידי CK2!

איך אינסולין מפעיל סינתזה?

אינסולין פועל בשני כיוונים:

כיוון 1: הפעלת PP1

אינסולין → PP1 (פוספטאז) פעיל → מסיר פוספט מסינתאז → סינתאז פעיל

כיוון 2: עיכוב GSK-3

אינסולין → PKB פעיל → פוספורילציה של GSK-3 → GSK-3 נכבה

התוצאה: סינתאז נשאר פעיל ומסנתז גליקוגן!

פסאודו-סובסטרט של GSK-3

מנגנון נוסף לכיבוי GSK-3:

• PKA או PKB עושים פוספורילציה על הקצה ה-N-טרמינלי של GSK-3
• זה גורם לאנזים “להיסגר על עצמו”
• האתר הפעיל נחסם
• נקרא פסאודו-סובסטרט - האנזים “חושב” שהוא קשור לסובסטרט

חלק ה’: חומצות אמינו שעוברות פוספורילציה

חשוב לדעת למבחן!

שלוש חומצות אמינו בלבד יכולות לעבור פוספורילציה:

מה משותף להן? כולן מכילות קבוצת -OH על השרשרת הצדדית

חלק ו’: סיכום פיזיולוגי

מצב שובע (אחרי ארוחה)

גלוקוז בדם ↑
      ↓
אינסולין ↑
      ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│                                     │
│  PP1 ↑ → סינתאז פעיל → סינתזה ↑     │
│                                     │
│  GSK-3 ↓ → סינתאז נשאר פעיל         │
│                                     │
│  פוספורילאז ↓ → פירוק ↓             │
│                                     │
│  גליקוליזה ↑ (יש גלוקוז זמין)       │
│                                     │
└─────────────────────────────────────┘

תוצאה: מאגרים נבנים, גלוקוז מנוצל

מצב רעב / מאמץ

גלוקוז בדם ↓
      ↓
גלוקגון ↑ (כבד) / אדרנלין ↑ (שריר)
      ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│                                     │
│  cAMP ↑ → PKA ↑                     │
│                                     │
│  פוספורילאז קינאז ↑                 │
│                                     │
│  פוספורילאז ↑ → פירוק גליקוגן ↑     │
│                                     │
│  סינתאז ↓ → סינתזה ↓                │
│                                     │
│  גליקוליזה ↑ (צריך ATP!)            │
│                                     │
└─────────────────────────────────────┘

תוצאה: מאגרים מפורקים, אנרגיה מיוצרת

הבדל בין כבד לשריר

שאלה לדוגמה (מהשיעור)

שאלה: במצבים שבהם רמות האנרגיה בתא נמוכות, קצב פירוק הגליקוגן עולה באופן משמעותי, כאשר רמות הגלוקוז בדם אינן משתנות. איזה גורם תוך-תאי סביר שהוא אחראי להגברת הפעילות?

אפשרויות:

• א. עלייה ברמות AMP בתוך השריר ✓
• ב. עלייה ברמות גלוקוז חופשי בדם
• ג. ירידה ברמת AMP
• ד. עלייה ברמת גלוקוז-6-פוספט בשריר

תשובה: א

הסבר:

• AMP = סימן לאנרגיה נמוכה (ATP → ADP → AMP)
• AMP מפעיל אלוסטרית את פוספורילאז בשריר
• גלוקוז בדם לא משתנה ← לא ב’
• ירידה ב-AMP תוריד פירוק ← לא ג’
• עלייה בגלוקוז-6-פוספט תעכב ← לא ד’

מושגים מרכזיים

נקודות מפתח למבחן

1. גלוקוז-1-פוספט = מפירוק גליקוגן תוך-תאי בלבד
2. דה-ברנצ’ינג אנזים = שתי פעילויות (טרנספראז + גלוקוזידאז)
3. גליקוגנין = פריימר, עושה אוטוקטליזה, 7 גלוקוזים לפני שסינתאז מתחיל
4. GSK-3 = צריך פוספורילציה מקדימה על ידי CK2
5. פוספורילציה: רק סרין, תראונין, טירוזין
6. פוספורילאז: פוספט = פעיל
7. סינתאז: פוספט = לא פעיל (הפוך!)
8. כבד vs שריר: גלוקגון עובד רק בכבד
9. AMP: מפעיל פוספורילאז בשריר (סימן לאנרגיה נמוכה)