מבוא
שיעור זה עוסק בנושאים מרכזיים במטבוליזם:
- ויסות מטבוליזם גליקוגן - השפעת אינסולין וגלוקגון
- פירובאט דהידרוגנאז (PDH) - הקומפלקס שמחבר בין גליקוליזה למעגל קרבס
- מעגל קרבס (Citric Acid Cycle) - המסלול המרכזי ליצירת אנרגיה
חלק א’: ויסות מטבוליזם גליקוגן
השפעת גלוקגון (מצב רעב)
כאשר יש ירידה בגלוקוז בדם, מופרש גלוקגון מהלבלב.
מנגנון הפעולה:
- גלוקגון מפעיל PKA (Protein Kinase A)
- PKA מזרחן ומעכב את Glycogen Synthase
- התוצאה: ירידה בסינתזה של גליקוגן
הגיון ביולוגי: במצב רעב אין צורך לאגור גליקוגן - צריך לפרק אותו ולשחרר גלוקוז לדם.
השפעה על גליקוליזה:
- גלוקגון מעכב גם את Phosphofructokinase (PFK)
- עיכוב גליקוליזה מאפשר הפניית גלוקוז לכיוון גלוקונאוגנזה
- בכבד: שחרור גלוקוז לדם
השפעת אינסולין (מצב שובע)
כאשר יש עלייה בגלוקוז בדם, מופרש אינסולין.
מנגנון הפעולה על GSK3:
- אינסולין מעכב את GSK3 (Glycogen Synthase Kinase 3)
- GSK3 בדרך כלל מזרחן ומעכב את Glycogen Synthase
- כאשר GSK3 מעוכב ← Glycogen Synthase פעיל ← ייצור גליקוגן
מדוע יש חומצות אמינו חיוביות באתר הפעיל של GSK3?
- הפוספט על הסובסטרט טעון שלילית
- חומצות אמינו חיוביות (כמו ארגינין, ליזין, היסטידין) מייצבות את הקשירה
השפעה על PP1 (Protein Phosphatase 1):
- אינסולין מעלה את פעילות PP1
- PP1 מוריד זרחן מ-Glycogen Synthase
- תוצאה: הפעלת Glycogen Synthase
סיכום השפעות הורמונליות
| מצב | הורמון | גליקוגן סינתאז | פירוק גליקוגן | גליקוליזה | גלוקונאוגנזה |
|---|---|---|---|---|---|
| רעב | גלוקגון | ↓ מעוכב | ↑ מוגבר | ↓ מעוכבת | ↑ מוגברת |
| שובע | אינסולין | ↑ פעיל | ↓ מעוכב | ↑ מוגברת | ↓ מעוכבת |
חלק ב’: פירובאט דהידרוגנאז (PDH)
תפקיד הקומפלקס
פירובאט דהידרוגנאז הוא קומפלקס אנזימטי שממיר פירובאט לאצטיל-CoA:
\[\text{Pyruvate} + \text{CoA} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Acetyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH}\]מאפיינים חשובים:
- ΔG שלילי מאוד - תגובה ספונטנית, עוברת בקרה
- מהווה את הגשר בין גליקוליזה למעגל קרבס
- תגובה בלתי הפיכה
חמשת הקופקטורים/קואנזימים
| קופקטור | תפקיד |
|---|---|
| TPP (Thiamine Pyrophosphate) | ויטמין B1, מעורב בדה-קרבוקסילציה |
| Coenzyme A | נושא קבוצת אצטיל |
| Lipoate | מעביר קבוצות בין אנזימים |
| $\ce{FAD}$ | מקבל אלקטרונים |
| $\ce{NAD⁺}$ | מקבל אלקטרונים סופי |
מנגנון הפעולה (5 שלבים)
- דה-קרבוקסילציה - הוצאת $\ce{CO2}$ מפירובאט, קישור ל-TPP
- העברה לליפואט - התוצר נקשר לגופרית של ציסטאין
- יצירת אצטיל-CoA - כניסת CoA וקבלת קבוצת האצטיל
- חמצון ע”י FAD - חמצון הליפואט, יצירת קשר דיסולפידי, קבלת FADH₂
- העברה ל-$\ce{NAD⁺}$ - $\ce{FADH2}$ מחזר $\ce{NAD⁺}$ ל-$\ce{NADH}$
Substrate Channeling: תוצרי הביניים עוברים ישירות בין האנזימים בקומפלקס מבלי להשתחרר לסביבה - זה מגביר יעילות ומונע אובדן.
בקרה על PDH
מעכבים (רמת אנרגיה גבוהה):
- ATP
- NADH
- Acetyl-CoA
מפעילים (רמת אנרגיה נמוכה):
- $\ce{ADP}$
- $\ce{NAD⁺}$
- $\ce{Ca^{2+}}$ (קשור לתנועה וכיווץ שרירים)
מנגנון הבקרה:
- PDH Kinase - מזרחן ומעכב את PDH
- PDH Phosphatase - מסיר זרחן ומפעיל את PDH
הגיון ביולוגי: כשיש הרבה אנרגיה (ATP, NADH) - אין צורך להמשיך לייצר. כשיש מחסור (ADP) - צריך להגביר ייצור.
מעכב תחרותי - Arsenite
ארסניט הוא אנלוג לסוקסינאט שנקשר לאתר הפעיל ומעכב את PDH.
חלק ג’: מעגל קרבס (Citric Acid Cycle)
מאפיינים כלליים
- מיקום: מטריקס המיטוכונדריה
- התחלה וסיום: Oxaloacetate
- קלט: Acetyl-CoA (2 פחמנים)
- פלט:
- $2×\ce{CO2}$
- $3×\ce{NADH}$
- $1×\ce{FADH2}$
- $1×\ce{GTP/ATP}$
מעגל אמפיבולי: משמש גם לקטבוליזם (פירוק) וגם לאנבוליזם (בנייה) - ניתן להיכנס ולצאת מנקודות שונות.
שלבי המעגל העיקריים
שלב 1: Citrate Synthase
\[\text{Oxaloacetate} + \text{Acetyl-CoA} \rightarrow \text{Citrate}\]- ΔG = -32 kJ/mol (שלילי מאוד)
- עובר בקרה
שלב 2: Aconitase
\[\text{Citrate} \rightarrow \text{Isocitrate}\]- איזומריזציה
- ΔG חיובי אך נמשך בזכות התגובה הבאה
שלב 3: Isocitrate Dehydrogenase
\[\text{Isocitrate} \rightarrow \alpha\text{-Ketoglutarate} + \text{CO}_2 + \text{NADH}\]- ΔG שלילי מאוד
- חמצון + דה-קרבוקסילציה
- עובר בקרה
שלב 4: α-Ketoglutarate Dehydrogenase
\[\alpha\text{-Ketoglutarate} \rightarrow \text{Succinyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH}\]- ΔG שלילי מאוד
- דומה במנגנון ל-PDH
- עובר בקרה
שלב 5: Succinyl-CoA Synthetase
\[\text{Succinyl-CoA} \rightarrow \text{Succinate} + \text{GTP/ATP}\]- ΔG ≈ 0
- לא עובר בקרה משמעותית
- מיוחד: האנזים היחיד במעגל שמעוגן בממברנה הפנימית (לא במטריקס)
- משתתף גם בשרשרת העברת אלקטרונים
שלבים 6-8: Succinate → Fumarate → Malate → Oxaloacetate
- ייצור FADH₂ (שלב 6)
- הידרציה (שלב 7)
- ייצור NADH (שלב 8)
בקרה על מעגל קרבס
עיקרון מרכזי: בקרה מתבצעת על אנזימים עם ΔG שלילי מאוד (תגובות ספונטניות).
שלושת האנזימים המבוקרים:
- Citrate Synthase (שלב 1)
- Isocitrate Dehydrogenase (שלב 3)
- α-Ketoglutarate Dehydrogenase (שלב 4)
מעכבים (מצביעים על רמת אנרגיה גבוהה)
| מעכב | משמעות |
|---|---|
| ATP | יש מספיק אנרגיה |
| NADH | יש מספיק כוח מחזר |
| Citrate | יש מספיק תוצר |
| Succinyl-CoA | יש מספיק תוצר ביניים |
מפעילים (מצביעים על צורך באנרגיה)
| מפעיל | משמעות |
|---|---|
| $\ce{ADP}$ | חסר אנרגיה |
| $\ce{NAD⁺}$ | צריך לייצר NADH |
| $\ce{Ca^{2+}}$ | סיגנל לתנועה/כיווץ שרירים |
Succinyl-CoA מעכב Citrate Synthase: דוגמה לעיכוב אלוסטרי ע”י תוצר שנמצא כמה שלבים קדימה במסלול.
סיכום התפוקה ממולקולת גלוקוז אחת
| מסלול | NADH | FADH₂ | ATP/GTP |
|---|---|---|---|
| גליקוליזה | 2 | 0 | 2 |
| PDH (×2) | 2 | 0 | 0 |
| מעגל קרבס (×2) | 6 | 2 | 2 |
| סה”כ | 10 | 2 | 4 |
תפוקה סופית: 30-32 ATP (לאחר שרשרת העברת אלקטרונים)
תאי סרטן ותאים מתחלקים: משתמשים בעיקר בגליקוליזה (2 ATP) גם בנוכחות חמצן - תופעה הנקראת אפקט ורבורג.
נושאים נוספים
Malonate - מעכב תחרותי
- מלונאט הוא אנלוג לסוקסינאט
- נקשר לאתר הפעיל של Succinate Dehydrogenase
- מעכב את המעגל בשלב 6
טרנספורטרים של גלוקוז
- GLUT2: בכבד - מכניס ומוציא גלוקוז (דו-כיווני)
- GLUT4: בשריר ושומן - מגיב לאינסולין
קופקטורים ויטמינים
| ויטמין | קופקטור | אנזים |
|---|---|---|
| B1 (Thiamine) | TPP | PDH, α-KG DH |
| B2 (Riboflavin) | $\ce{FAD}$ | Succinate DH |
| B3 (Niacin) | $\ce{NAD⁺}$ | רבים |
| B5 (Pantothenic acid) | CoA | PDH, Citrate Synthase |
שאלות תרגול
שאלה: מוטציה באנזים E3 בקומפלקס PDH
תשובה: תגרום לעיכוב כניסת Acetyl-CoA למעגל קרבס, ולכן לעיכוב משמעותי של כל המעגל.
שאלה: האם GSK3 מעוכב לאחר אוכל?
תשובה: כן. לאחר אוכל יש הפרשת אינסולין ← אינסולין מעכב GSK3 ← Glycogen Synthase פעיל ← ייצור גליקוגן.
שאלה: איזה אנזים במעגל קרבס לא עובר בקרה?
תשובה: Succinyl-CoA Synthetase - ה-ΔG שלו קרוב לאפס, ולכן אין צורך בבקרה.
לקסיקון מונחים
- PDH (Pyruvate Dehydrogenase): קומפלקס אנזימטי הממיר פירובאט לאצטיל-CoA
- GSK3 (Glycogen Synthase Kinase 3): קינאז המעכב את Glycogen Synthase ע”י זרחון
- PP1 (Protein Phosphatase 1): פוספטאז המפעיל את Glycogen Synthase ע”י הסרת זרחן
- TPP (Thiamine Pyrophosphate): קופקטור הנגזר מויטמין B1
- Substrate Channeling: העברה ישירה של תוצרי ביניים בין אנזימים בקומפלקס
- אמפיבולי (Amphibolic): מסלול המשמש גם לקטבוליזם וגם לאנבוליזם
- ΔG (Delta G): שינוי באנרגיה חופשית - שלילי = ספונטני
- אלוסטרי (Allosteric): בקרה באתר שאינו האתר הפעיל
- Arsenite: מעכב רעיל של PDH
- Malonate: מעכב תחרותי של Succinate Dehydrogenase