המיקום בתהליך
חזרה קצרה על גליקוליזה:
- השקענו $\ce{2 ATP}$, קיבלנו $\ce{4 ATP}$ ← רווח נקי: $\ce{2 ATP}$
- יצרנו $\ce{2 NADH}$
- רוב האנרגיה עדיין עצורה בפירובט!
המעבר הגדול: עד עכשיו הכל היה בציטוזול. עכשיו נכנסים למיטוכונדריה.
שלושת השלבים של נשימה תאית
- יצירת Acetyl-CoA מפירובט
- מעגל קרבס
- שרשרת מעבר אלקטרונים (בשיעורים הבאים)
כניסת פירובט למיטוכונדריה
MPC - Mitochondrial Pyruvate Carrier
- סימפורטר על הממברנה הפנימית
- מכניס פירובט יחד עם $\ce{H+}$
שני גורלות לפירובט
| אם צריך גלוקוז | אם צריך אנרגיה |
|---|---|
| פירובט קרבוקסילאז ← גלוקונאוגנזה | פירובט דהידרוגנאז ← מעגל קרבס |
Coenzyme A ו-Acetyl-CoA
המבנה החשוב: קבוצת תיול ($\ce{SH}$) בקצה
קשר תיואסטר = קשר בין $\ce{S}$ ל-$\ce{C}$ = קשר עתיר אנרגיה!
Acetyl-CoA = קבוצת אצטיל (2 פחמנים) קשורה ל-CoA דרך קשר תיואסטר
קומפלקס פירובט דהידרוגנאז (PDH)
איור לא מדויק של ג׳מניי:
הריאקציה הכוללת
\[\ce{Pyruvate + CoA + NAD+ -> Acetyl-CoA + CO2 + NADH}\]מבנה הקומפלקס
- 3 אנזימים: E1, E2, E3
- 5 קו-פקטורים: $\ce{TPP}$, ליפואט, $\ce{CoA}$, $\ce{FAD}$, $\ce{NAD+}$
שאלה לדוגמה:
איזה קו-פקטור אינו חיובי לפעילות קומפלקס פירובט דהידרוגנז?
- תיאמין פירופוסט (TPP)
- ליפואט
- פלבין אדנין דינוקלאוטיד (FAD)
- ויטמין C
תשובה
התשובה הנכונה היא 4 - ויטמין C. שאר הקו-פקטורים חיוניים לפעילות הקומפלקס.נקודה קריטית: המולקולה נשארת קשורה לקומפלקס לאורך כל חמש הריאקציות - לא משתחררת לתוך המטריקס!
חמשת השלבים
| שלב | מה קורה | תוצר |
|---|---|---|
| 1 | פירובט (3C) מאבד CO₂ | הידרוקסיאתיל-TPP (2C) |
| 2 | העברה מ-TPP לליפואט | אצטיל-ליפואט |
| 3 | CoA “גונב” את האצטיל | Acetyl-CoA |
| 4 | ליפואט מעביר אלקטרונים ל-FAD | FADH₂ |
| 5 | FAD מעביר אלקטרונים ל-$\ce{NAD+}$ | NADH |
קומפלקסים דומים (חשוב לדעת!)
שלושה קומפלקסים עובדים באותו מנגנון:
- פירובט דהידרוגנאז
- α-קטוגלוטראט דהידרוגנאז (בתוך מעגל קרבס)
- קומפלקס חמצון איזולאוצין
E3 זהה בכולם! אם E3 לא עובד ← E2 לא עובד ← הכל עוצר.
מעגל קרבס - הסכמה
Acetyl-CoA (2C)
│
▼ ①
Citrate (6C)
│
▼ ②
Isocitrate (6C)
│
▼ ③ ──► CO₂ + NADH
α-Ketoglutarate (5C)
│
▼ ④ ──► CO₂ + NADH
Succinyl-CoA (4C)
│
▼ ⑤ ──► GTP
Succinate (4C)
│
▼ ⑥ ──► FADH₂
Fumarate (4C)
│
▼ ⑦
Malate (4C)
│
▼ ⑧ ──► NADH
Oxaloacetate (4C)
│
└─────────► חוזר להתחלה
שלבים עיקריים
שלב 1 - ציטראט סינתאז
- Acetyl-CoA + Oxaloacetate → Citrate
- ΔG מאוד שלילי (אקסרגוני)
- ציטראט מעכב את PFK1 בגליקוליזה - רגולציה הגיונית!
שלב 3 - איזוציטראט דהידרוגנאז
- יוצר NADH ראשון + CO₂
שלב 4 - α-קטוגלוטראט דהידרוגנאז
- עובד בדיוק כמו PDH
- יוצר NADH + CO₂
- האנרגיה נשמרת בקשר תיואסטר
שלב 5 - סוכסיניל-CoA סינתטאז
- יוצר GTP (ניתן להמרה ל-ATP)
- זו היצירה היחידה של “מטבע אנרגיה” ישיר במעגל
שלב 6 - סוכסינאט דהידרוגנאז ⚠️
- חלבון ממברנלי - יושב על הממברנה הפנימית
- יוצר FADH₂
- יופיע שוב בשרשרת מעבר אלקטרונים
למבחן: מלונאט הוא מעכב תחרותי של סוכסינאט דהידרוגנאז!
שלב 8 - מלאט דהידרוגנאז
- יוצר NADH + Oxaloacetate
- סוגר את המעגל
סיכום תוצרים
ממולקולת Acetyl-CoA אחת
| תוצר | כמות |
|---|---|
| NADH | 3 |
| FADH₂ | 1 |
| GTP | 1 |
| CO₂ | 2 |
ממולקולת גלוקוז אחת (להכפיל!)
| שלב | ATP | NADH | FADH₂ | GTP |
|---|---|---|---|---|
| גליקוליזה | 2 | 2 | - | - |
| 2× PDH | - | 2 | - | - |
| 2× מעגל קרבס | - | 6 | 2 | 2 |
| סה”כ | 2 | 10 | 2 | 2 |
ממולקולת גלוקוז אחת מקבלים שני Acetyl-CoA, ולכן מכפילים את התוצרים של PDH ומעגל קרבס ב-2.
שקילות אנרגטית
- 1 NADH = 2.5 ATP
- 1 FADH₂ = 1.5 ATP
סה”כ ממולקולת גלוקוז: ~30-32 ATP
ריאקציות אנאפלרוטיות
ריאקציות שמזינות את מעגל קרבס - מוסיפות מולקולות ביניים כשצריך.
| אנזים | ריאקציה |
|---|---|
| פירובט קרבוקסילאז | Pyruvate → Oxaloacetate |
| מאליק אנזים | Pyruvate → Malate |
למה ניתן לצפות במבחן?
ככל הנראה
- סכמת מעגל קרבס בלי שמות אנזימים
- איפה נוצרים NADH, FADH₂, GTP
- הבנת רגולציה והשפעות
- מלונאט כמעכב תחרותי
פחות סביר
- כימיה מפורטת
- שמות אנזימים ספציפיים
מושגי מפתח
| מושג | הגדרה |
|---|---|
| קשר תיואסטר | קשר S-C, עתיר אנרגיה |
| דה-קרבוקסילציה חמצונית | שחרור CO₂ + חמצון |
| ריאקציות אנאפלרוטיות | ריאקציות שמזינות את המעגל |
| MPC | Mitochondrial Pyruvate Carrier |
| מעכב תחרותי | מולקולה דומה שמתחרה על אתר פעיל |
הקשרים לנושאים קודמים
| נושא | הקשר |
|---|---|
| PFK1 (גליקוליזה) | מעוכב ע”י ציטראט |
| גלוקונאוגנזה | פירובט קרבוקסילאז יוצר אוקסלואצטט |
| תאי דם אדומים | אין מיטוכונדריה ← אין מעגל קרבס! |
| מעגל הפנטוזות | מסלול יחיד ל-NADPH בתאי דם אדומים |
שאלות מהתרגול
שאלה 1: כניסת מולקולה למעגל קרבס
איזו מולקולה נכנסת למעגל קרבס לאחר דה-קרבוקסילציה אוקסידטיבית?
- גלוקוז
- פירובט
- אצטיל-CoA
- ציטרט
פתרון
תשובה נכונה: 3. אצטיל-CoA
בגליקוליזה גלוקוז מתפרק ל־פירובט. לאחר מכן, פירובט דהידרוגנז (PDH) מבצע לפירובט דה־קרבוקסילציה אוקסידטיבית וממיר אותו ל־אצטיל-CoA.
ה־אצטיל-CoA הוא זה שנכנס למעגל קרבס (מתחבר ל־Oxaloacetate ויוצר ציטרט בתחילת המעגל).
שאלה 2: בקרה במעגל קרבס
איזה אנזים מהווה שלב בקרה מרכזי במעגל קרבס?
- סוקצינט דהידרוגנז
- מאלט דהידרוגנז
- איזוציטרט דהידרוגנז
- גליקוגן סינתאז
פתרון
3. איזוציטרט דהידרוגנז
הסבר: איזוציטרט דהידרוגנז הוא אחד משלבי ה־rate-limiting במעגל קרבס ולכן נחשב נקודת בקרה מרכזית. הוא “מרגיש” את מצב האנרגיה בתא:
-
ATP ו-NADH גבוהים ← מעידים שיש מספיק אנרגיה ← מעכבים את האנזים ← מעגל קרבס מואט.
-
ADP גבוה (ולפעמים גם ( $\mathrm{Ca^{2+}}$ ) ברקמות פעילות) ← מעיד שצריך אנרגיה ← מפעיל את האנזים ← המעגל מואץ.
לכן התשובה הנכונה: 3. איזוציטרט דהידרוגנז.
שאלה 3: קשר בין מעגל קרבס לפירוק גליקוגן
מהו הקשר בין מעגל קרבס לפירוק גליקוגן?
- גליקוגן מתפרק ישירות לציטרט שנכנס למעגל קרבס
- גליקוגן מתפרק לגלוקוז-6-פוספט שנכנס לגליקוליזה ומספק אצטיל-CoA למעגל קרבס
- גליקוגן מתפרק לגלוקוז שנכנס ישירות למעגל קרבס
- אף תשובה אינה נכונה
פתרון
4. אף תשובה אינה נכונה
הסבר:
1. “גליקוגן מתפרק ישירות לציטרט שנכנס למעגל קרבס” - לא נכון
- גליקוגן מתפרק ע״י glycogen phosphorylase ל־Glucose-1-phosphate (G1P), לא לציטראט.
- ציטראט נוצר רק בתוך מעגל קרבס (מ־Oxaloacetate + Acetyl-CoA), הוא לא תוצר פירוק גליקוגן.
2. “גליקוגן מתפרק לגלוקוז-6-פוספט שנכנס לגליקוליזה ומספק אצטיל-CoA למעגל קרבס” - לא נכון (מסיח קשוח)
יש פה שתי בעיות דיוק:
-
התוצר המיידי של פירוק גליקוגן הוא G1P, ורק אחר כך הוא מומר ל־G6P.
-
גליקוליזה לא מייצרת Acetyl-CoA - היא מייצרת Pyruvate. ההמרה ל־Acetyl-CoA נעשית ע״י PDH (שלב נפרד, במיטוכונדריה, בתנאים אירוביים).
כלומר הרעיון הכללי נכון (בסוף זה יכול להזין קרבס), אבל האופציה כתובה לא מדויק ולכן נפסלת.
3. “גליקוגן מתפרק לגלוקוז שנכנס ישירות למעגל קרבס” - לא נכון
-
גם כאן: גליקוגן לא מתפרק לגלוקוז חופשי כצעד עיקרי, אלא ל־G1P (למעט קצת גלוקוז חופשי מ־debranching).
-
ויותר חשוב: גלוקוז לא נכנס ישירות למעגל קרבס. קרבס מקבל Acetyl-CoA (או תוצרי ביניים מסוימים), לא גלוקוז.
“אף תשובה אינה נכונה” - כי אף אחת מהאפשרויות 1–3 לא מתארת בצורה מדויקת את השרשרת:
Glycogen → G1P → G6P → Glycolysis → Pyruvate → (PDH) Acetyl-CoA → TCA
שאלה 4: השפעת מחסור באוקסלואצטט
כיצד מחסור באוקסלואצטט ישפיע?
- מעגל קרבס יימשך אך גלוקונאוגנזה תיעצר
- גם מעגל קרבס וגם גלוקונאוגנזה ייפגעו
- גלוקונאוגנזה תימשך אך מעגל קרבס ייעצר
- לא תהיה השפעה על אף אחד מהמסלולים
פתרון
התשובה הנכונה היא ב׳: גם מעגל קרבס וגם גלוקונאוגנזה ייפגעו
- ביחס למעגל קרבס: מחסור באוקסלואצטט לא יאפשר יצירת ציטראט (Acetyl-CoA + Oxaloacetate → Citrate), ולכן המעגל ייעצר.
- ביחס לגלוקונאוגנזה: אוקסלואצטט הוא המתווך הראשוני ביצירת גלוקוז מפירובט (Pyruvate → Oxaloacetate → PEP → … → Glucose). ללא אוקסלואצטט, גלוקונאוגנזה לא תוכל להתקיים. (לפי התרגול: ״אוקסלואצטט משמש כפריקורסור לפירובט ולכן מחסור בו יפגע בגלוקונאוגנזה״)
שאלה 5: השפעת צום ומאמץ גופני
איזה משפט מהבאים אינו נכון?
- בעת צום, גלוקוז צריך לעבור דרך 2 טרנספורטרים על מנת להגיע מתאי הכבד לזרם הדם.
- בעת מאמץ גופני, גליקוגן מפורק לגלוקוז ונשלח לזרם הדם.
- מעכב אשר משבית את קומפלקס II בשרשרת מעבר האלקטרונים, ישבית את מעגל קרבס אך לא את שרשרת מעבר האלקטרונים.
- לאחר ארוחה, GSK3 מזרחן את גליקוגן סינתאז ומעכב אותו.
פתרון
המשפט השגוי הוא ד׳: GSK3 אכן מעכב אבל לא לאחר ארוחה. GSK3 מזרחן ומעכב את גליקוגן סינתאז בזמן צום (כשרמות האינסולין נמוכות). לאחר ארוחה, רמות האינסולין עולות, מה שמוביל להפעלה של פוספטאז שמסיר את הפוספט מגליקוגן סינתאז ומאפשר את פעילותו.
שאלה 6: קומפלקס PDH
מוטציה באנזים E3 בקומפלקס PDH אשר מפסיקה את פעילותו, תגרום ל-?
- תופסק היצירה של NADH ע”י E3 אך E1 ו-E2 ימשיך לעבוד.
- כל הקומפלקס של PDH יפסיק לעבוד.
- PDH ימשיך לייצר CO2.
- מעגל קרבס לא יעבוד.
פתרון
התשובה הנכונה היא 2. כל הקומפלקס של PDH יפסיק לעבוד.
הסבר: הקומפלקס PDH מורכב משלושה אנזימים (E1, E2, E3) שעובדים בשיתוף פעולה הדוק. אם אחד מהם, כמו E3, מפסיק לפעול, כל הקומפלקס לא יוכל להשלים את התהליך כולו. לכן, מוטציה ב-E3 תגרום לכך שכל הקומפלקס של PDH יפסיק לעבוד.
שאלה 7: ויטמינים בקומפלקס PDH
איזה ויטמין לא נחוץ לפעילות של PDH?
- ויטמין B1.
- ויטמין B2.
- ויטמין B3.
- ויטמין B5.
- ויטמין B9.
פתרון
התשובה הנכונה היא 5. ויטמין B9.
- B1 - TTP
- B2 - FAD
- B3 - NAD+
- B5 - CoA (Coenzyme A)
לפירוט המלא ראו תרגול 8.
שאלה 8: האנזים debranching
איזה קשרים האנזים debranching יכול לשבור בגליקוגן?
- α1⟶”4”.
- α1⟶”6”.
- α1⟶”4” +α1⟶”6 “.
- האנזים debranching מייצר קשר α1⟶”6”.
פתרון
התשובה הנכונה היא ג׳: α1⟶”6” +α1⟶”4 “.
הסבר: האנזים debranching בגליקוגן מבצע שתי פעולות עיקריות:
- Transferase activity: מעביר שלושה שיירים משרשרת צדדית לשרשרת ראשית, ובכך שובר קשרי α1⟶”4”.
- Glucosidase activity: חותך את הקשר α1⟶”6” שנותר בשרשרת הצדדית.
שאלה 9: השפעת פעילות גופנית על פירוק גליקוגן
במהלך פעילות גופנית, מה יקרה למסלולים הבאים בכבד ובשריר?
- תהיה ירידה בפירוק גליקוגן.
- תהיה עליה בפירוק גליקוגן.
- תהיה עליה בגליקוליזה.
- תהיה ירידה בגליקוליזה.
פתרון
התשובה הנכונה היא ב׳: תהיה עליה בפירוק גליקוגן.
הסבר: במהלך פעילות גופנית, השרירים זקוקים לאנרגיה מיידית. כדי לספק את הדרישה הזו, יש עליה בפירוק גליקוגן לגלוקוז-1-פוספט, שמומר לגלוקוז-6-פוספט ומשמש כמקור אנרגיה מהיר דרך גליקוליזה.
