6.1: מטבוליזם - סוכרים

גליקוליזה

פחמימות, בין אם מסונתזות על ידי אורגניזמים פוטוסינתטיים, המאוחסנות בתאים כגליקוגן, או נבלעות על ידי הטרוטרופים, חייבות להתפרק כדי להשיג אנרגיה לפעילות התא וכן לסנתז מולקולות אחרות הנדרשות לתא. עמילן וגליקוגן, פולימרים של גלוקוז, הם צורות אחסון האנרגיה העיקריות של פחמימות בצמחים ובעלי חיים, בהתאמה. כדי להשתמש במקורות אנרגיה אלה, התאים חייבים תחילה לפרק את הפולימרים כדי להניב גלוקוז. לאחר מכן הגלוקוז נקלט על ידי תאים דרך מובילים בקרומי התא. חילוף החומרים של גלוקוז, כמו גם שישה סוכרים פחמניים אחרים (הקסוזות) מתחיל במסלול הקטבולי הנקרא גליקוליזה. במסלול זה סוכרים מתחמצנים ומתפרקים למולקולות פירובט. המסלול האנאבולי המקביל שבאמצעותו מסונתז גלוקוז נקרא גלוקונאוגנזה. לא גליקוליזה ולא גלוקונאוגנזה הם תהליך חמצוני/רדוקטיבי מרכזי, כאשר שלב אחד בכל אחד מהם כולל אובדן/רווח של אלקטרונים, אך ניתן לחמצן לחלוטין את תוצר הגליקוליזה, פירובט, לפחמן דו חמצני (איור 6.2). ואכן, ללא ייצור פירובט מגלוקוז בגליקוליזה, מקור אנרגיה עיקרי לתא לא יהיה זמין.

גלוקוז הוא ההקסוז הנפוץ ביותר בטבע ומשמש באופן מסורתי להמחשת תגובות הגליקוליזה, אך גם פרוקטוז (בצורה של פרוקטוז -6- פוספט) עובר חילוף חומרים בקלות, בעוד שניתן להמיר גלקטוז בקלות לגלוקוז לצורך קטבוליזם במסלול גם כן. התוצרים המטבוליים הסופיים של הגליקוליזה הם שתי מולקולות של ATP, שתי מולקולות של NADH ושתי מולקולות של פירובט (איור 6.3), אשר, בתורן, ניתן לחמצן עוד יותר במחזור חומצת הלימון.

נקודות כניסה לגליקוליזה

גלוקוז ופרוקטוז הם 'משפכי' הסוכר המשמשים כנקודות כניסה למסלול הגליקוליטי. יש להמיר סוכרים אחרים לאחת מהצורות הללו כדי לעבור חילוף חומרים בגליקוליזה. כמה מסלולים, כולל קלווין

איור 6.2 - גורלות מטבוליים של גלוקוז תמונה מאת Aleia Kim התאים שלך עשויים להיות במשבר גובר אם הם לא יעברו גליקו-ליי-סיס אין שחרור אנרגיית גלוקוז עד שהיא נשברת לחתיכות

איור 6.3 - הגליקוליזה והרגולטורים שלה תמונה מאת בן קרסון מחזור ומסלול הפנטוז פוספט (PPP) מכילים תוצרי ביניים משותפים לגליקוליזה, כך שבמובן זה, כמעט כל סוכר תאי יכול לעבור חילוף חומרים כאן.

מסלולים אחרים

תוצרי ביניים של גליקוליזה וגלוקונאוגנזה המשותפים למסלולים אחרים כוללים גלוקוז-6-פוספט (PPP, מטבוליזם של גליקוגן), פרוקטוז-6-פוספט (מחזור קלווין, PPP), גליצראלדהיד-3-פוספט (מחזור קלווין, PPP), דיהידרוקסיאצטון פוספט (PPP, מטבוליזם של גליצרול, מחזור קלווין), 3- פוספוגליצרט (מחזור קלווין, PPP), פוספנולפירובט (מטבוליזם צמחי C4, מחזור קלווין) ופירובט (תסיסה, בראשית אצטיל-CoA, חילוף חומרים של חומצות אמינו). ראוי לציין כי גליצרול מפירוק השומן יכול לעבור חילוף חומרים בקלות לפוספט דיהידרוקסיאצטון (DHAP) ובכך להיכנס למסלול הגליקוליזה. זהו החלק היחיד בשומן המשמש במסלולים אלה.

תגובה 1

גלוקוז מקבל פוספט מ-ATP לייצור גלוקוז-6-פוספט (G6P) בתגובה המזרזת על ידי האנזים הקסוקינאז, אנזים טרנספראז.

גלוקוז + ATP G6P + ADP+H+

הקסוקינאז הוא אחד משלושה אנזימים מוסדרים בגליקוליזה והוא מעוכב על ידי אחד מתוצרי פעולתו - G6P. להקסוקינאז יש גמישות בקשירת המצע שלו והוא מסוגל לזרחן מגוון הקסוזות, כולל פרוקטוז, מנוז וגלקטוז.

למה לזרחן גלוקוז?

זרחון של גלוקוז משרת שתי מטרות חשובות. ראשית, תוספת של קבוצת פוספט לגלוקוז לוכדת אותה ביעילות בתא, מכיוון ש-G6P אינו יכול להתפזר על פני שכבת השומנים הדו-שכבתית. שנית, התגובה מפחיתה את ריכוז הגלוקוז החופשי, ומעדיפה יבוא נוסף של המולקולה. G6P הוא מצע למסלול הפנטוז פוספט וניתן להמיר אותו גם לגלוקוז-1-פוספט (G1P) לשימוש בסינתזת גליקוגן ובמטבוליזם של גלקטוז (איור 6.5).

ראוי לציין שלכבד יש אנזים כמו הקסוקינאז הנקרא גלוקוקינאז, אשר איור 6.4 - תגובה #1 - זרחון של גלוקוז - המזרז על ידי הקסוקינאז הוא בעל Km גבוה בהרבה (זיקה נמוכה יותר) לגלוקוז. זה חשוב, מכיוון שהכבד הוא אתר לסינתזת גלוקוז (גלוקונאוגנזה) בו ריכוזי הגלוקוז התאיים יכולים להיות גבוהים יחסית. עם אנזים פוספורילציה גלוקוז בעל זיקה נמוכה יותר, הגלוקוז אינו הופך ל- G6P אלא אם כן ריכוזי הגלוקוז גבוהים, כך שהכבד מסוגל לשחרר את הגלוקוז שהוא מייצר לזרם הדם לשימוש שאר הגוף.

תגובה 2

לאחר מכן, G6P מומר לפרוקטוז-6-פוספט (F6P), בתגובה המזרזת על ידי האנזים

\[\ce{G6P ⇄ F6P}\]

לתגובה יש ΔG°' נמוך, כך שהיא נוחה בקלות לשני הכיוונים עם איור 6.6 - מנגנון ההמרה של G6P ל-F6P בתגובה #2 איור 6.5 - מרכזיות הגלוקוז-6-פוספט בחילוף החומרים תמונה מאת Aleia Kim שינויים קלים בלבד בריכוז המגיבים.

תגובה 3

\[ce{F6P + ATP ⇄ F1,6BP + ADP + H+}\]

הקלט השני של האנרגיה מתרחש כאשר F6P מקבל פוספט נוסף מ- ATP בתגובה המזרזת על ידי האנזים פוספרוקטוקינאז -1 (PFK-1 - טרנספראז אחר) לייצור פרוקטוז-1,6- ביספוספט (F1,6BP). PFK-1 הוא אנזים חשוב מאוד המסדיר את הגליקוליזה, עם מספר מפעילים ומעכבים אלוסטריים (ראה כאן).

בדומה לתגובת ההקסוקינאז האנרגיה מ- ATP נחוצה כדי להפוך את התגובה לטובה מבחינה אנרגטית. PFK-1 הוא האנזים הרגולטורי החשוב ביותר במסלול ותגובה זו היא השלב המגביל את הקצב. זוהי גם אחת משלוש תגובות בלתי הפיכות במהותן בגליקוליזה.

אנזים משתנה המצוי בצמחים ובחיידקים מסוימים משתמש בפירופוספט ולא ב- ATP כמקור האנרגיה ובשל כניסת האנרגיה הנמוכה יותר מהידרוליזה של הפירופוספט, תגובה זו הפיכה.

תגובה 4

\[\ce{F1,6BP ⇄ D-GLYAL3P + DHAP}\]

כאשר משאבת הגליקוליזה מוכנה כך, המסלול ממשיך לפצל את ה-F1,6BP לשני תוצרי ביניים של 3 פחמן. תגובה זו המזרזת על ידי הליאז המכונה אלדולאז היא מבחינה אנרגטית "גבנון" להתגבר בכיוון הגליקוליזה (∆G °' = +24 kJ/mol איור 6.7 - תגובה #3 - המרה של F6P ל- F1,6BP על ידי PFK ויקיפדיה איור 6.8 - תגובה #4 - פירוט של F1,6BP ל- GLYAL3P (משמאל) ו- DHAP (מימין) על ידי אלדולאז °K) כדי כך להתגבר על גיבנת האנרגיה, התאים חייבים להגדיל את ריכוז המגיב (F1,6BP) ולהקטין את ריכוז המוצרים, שהם D-גליצראלדהיד- 3-פוספט (D-GLYAL3P) ודיהידרוקסיאצטון פוספט (DHAP).

תכנית חדשה מקלה על הפחתת ריכוז המוצרים (ראה להלן). אלדולזות חותכות את טבעת הקטוז בשני מנגנונים שונים ואנזימים אלה מקובצים כמחלקה I (בבעלי חיים וצמחים) ו- Class II (בפטריות ובחיידקים).

תגובה 5

\[\ce{DHAP ⇄ D-GLYAL3P}\]

בשלב הבא, DHAP מומר ל- DGLYAL3P בתגובה המזרזת על ידי האנזים טריוזפוספט איזומראז. בשלב זה, מולקולת הגלוקוז שש הפחמן התפרקה לשתי יחידות של שלושה פחמנים כל אחת - D-GLYAL3P. מנקודה זו ואילך כל תגובה של גליקוליזה מכילה שתיים מכל מולקולה. תגובה #5 הפיכה די בקלות בתאים.

האנזים ראוי לציון מכיוון שהוא דוגמה אחת ל"אנזים מושלם". לאנזימים בקטגוריה זו יש יחסים גבוהים מאוד של Kcat/Km המתקרבים למקסימום תיאורטי המוגבל רק על ידי דיפוזיה של המצע לאתר הפעיל של האנזים. הסיבה הנראית לעין להתפתחות האנזים בדרך זו היא שמנגנון התגובה מייצר תוצר ביניים לא יציב ורעיל (איור 6.9). כאשר התגובה מתקדמת במהירות כפי שהיא מתרחשת, יש פחות סיכוי שהביניים יברח ויגרום נזק בתא.

תגובה 6

\[\ce{D-GLYAL3P + NAD+ + Pi D-1,3BPG + NADH + H+}\]

איור 6.9 - תגובה #5 - איזומראז פוספט טריוז עם חומר ביניים לא יציב ורעיל (מתיל גליוקסל) תמונה מאת בן קרסון

בתגובה זו, D-GLYAL3P מתחמצן בשלב החמצון היחיד של הגליקוליזה המזרזת על ידי האנזים גליצראלדהיד-3-פוספט דהידרוגנאז, אוקסידורדוקטאז. האלדהיד בתגובה זו מתחמצן, ואז מקושר לפוספט ליצירת אסטר - D-1,3-ביספוספו-גליצרט (D- 1,3BPG). אלקטרונים מהחמצון נתרמים ל- NAD+ ויוצרים NADH.

NAD+ הוא מרכיב קריטי בתגובה זו והיא הסיבה שתאים זקוקים לאפשרות תסיסה בסוף המסלול (ראה להלן).

שים לב כאן שאנרגיית ATP לא נדרשה כדי לשים את הפוספט על D-GLYAL3P המחומצן. הסיבה לכך היא מכיוון שהאנרגיה שמספקת תגובת החמצון מספיקה להוספת הפוספט.

תגובה 7

\[\ce{D-1,3BPG + ADP ⇄ 3PG + ATP}\]

שני הפוספטים במולקולת 1,3BPG הזעירה דוחים זה את זה ומעניקים למולקולה אנרגיה פוטנציאלית גבוהה. אנרגיה זו מנוצלת על ידי האנזים פוספוגליצרט קינאז (טרנספראז אחר) כדי לזרחן ADP וליצור ATP, כמו גם את המוצר, 3-פוספוגליצרט (3-PG). זוהי דוגמה לזרחון ברמת המצע. מנגנונים כאלה לייצור ATP דורשים תוצר ביניים עם אנרגיה גבוהה מספיק כדי לזרחן ADP לייצור ATP. איור 6.10 - תגובה #6 - חמצון של GLYAL3P, מזורז על ידי גליצראלדהיד-3-פוספט דהידרוגנאז איור 6.11 - תגובה #7 - זרחון ברמת המצע על ידי 1,3-BPG

למרות שיש כמה זרחון ברמת המצע בתאים (כולל עוד אחד בסוף הגליקוליזה), העיקרי העצום של ATP נוצר על ידי זרחון חמצוני במיטוכונדריה (בבעלי חיים). בנוסף לזרחון חמצוני, צמחים מייצרים ATP גם על ידי פוטופוספורילציה בכלורופלסטים שלהם. מכיוון שיש שני 1,3 BPGs המיוצרים עבור כל גלוקוז, שני ה- ATPs המיוצרים בתגובה זו ממלאים את שני ה- ATPs המשמשים לתחילת המחזור וספירת ה- ATP נטו בנקודה זו של המסלול היא אפס.

תגובה 8

\[\ce{3-PG ⇄ 2-PG }\]

המרה של ביניים 3-PG ל- 2-PG (2- פוספוגליצרט) מתרחשת על ידי מנגנון חשוב. תוצר ביניים בתגובה הפיכה זו בקלות (מזורזת על ידי מוטאז פוספוגליצרט - אנזים מוטאז) הוא 2,3-BPG. תוצר ביניים זה, שהוא יציב, משתחרר בתדירות נמוכה על ידי האנזים במקום להיות קון-איור 6.13 - שני מסלולים להיווצרות 2,3-BPG איור 6.14 - 2,3- ביספוספוגליצרט (2,3-BPG) איור 6.12 - תגובה #8 - המרה של 3-PG ל-2-PG מקושרת ל-2-PG. 2,3BPG חשוב מכיוון שהוא נקשר להמוגלובין וממריץ שחרור חמצן. המולקולה יכולה להיות עשויה גם מ-1,3-BPG כתוצר של תגובה המזרזת על ידי מוטאז ביספופגליצרט (איור 6.13). תאים שעוברים חילוף חומרים של גלוקוז משחררים במהירות יותר 2,3-BPG וכתוצאה מכך מקבלים יותר חמצן ותומכים בצרכיהם. יש לציין כי תאים שעוברים חילוף חומרים במהירות משתמשים בחמצן במהירות רבה יותר וסביר יותר שהם חסרים בו.

תגובה 9

\[\ce{2-PG ⇄ PEP + H2O}\]

2-PG מומר על ידי אנולאז (ליאז) לפוספואנולפירובאט (PEP) על ידי הסרת מים, ויוצר תוצר ביניים בעל אנרגיה גבוהה מאוד. התגובה הפיכה בקלות, אך עם PEP, לתא יש את אחת ממולקולות האנרגיה הגבוהות ביותר שלו וזה חשוב לתגובה הבאה.

תגובה 10

\[\ce{PEP + ADP + H+ ⇄ PYR + ATP}\]

המרה של PEP לפירובאט על ידי פירובאט קינאז היא הזרחון השני ברמת המצע של הגליקוליזה, ויוצר ATP. תגובה זו היא מה שחלק מכנים "המפץ הגדול" של הגליקוליזה מכיוון שיש כמעט מספיק אנרגיה ב- PEP כדי לעורר ייצור של ATP שני (ΔG °' = 31.6 kJ/ מול), אך הוא אינו בשימוש. כתוצאה מכך, אנרגיה זו הולכת לאיבוד כחום. אם אתה תוהה מדוע אתה מתחמם כשאתה מתעמל, החום המיוצר בפירוק הגלוקוז הוא תורם עיקרי ותגובת הפירובאט קינאז היא מקור עיקרי. איור 6.16 - תגובה #10 - המפץ הגדול - PEP מזרחן ADP עם הרבה אנרגיה כדי לחסוך בויקיפדיה איור 6.15 - תגובה #9 - הסרה מזורזת אנולאז של מים ויקיפדיה

פירובט קינאז הוא האנזים השלישי והאחרון של הגליקוליזה המווסת (ראה להלן). הסיבה העיקרית לכך היא היכולת למנוע מתגובה זו להתרחש כאשר תאים מייצרים PEP בזמן שהם עוברים גלוקונאוגנזה (ראה עוד כאן).

קטבוליזם של סוכרים אחרים

למרות שגליקוליזה היא מסלול המתמקד בחילוף החומרים של גלוקוז ופרוקטוז, העובדה שסוכרים אחרים ניתנים לחילוף חומרים בקלות לגלוקוז פירושה שניתן להשתמש בגליקוליזה גם להפקת אנרגיה מהם. גלקטוז הוא דוגמה טובה. הוא מיוצר בדרך כלל בייצור בגוף כתוצאה מהידרוליזה של לקטוז, המזרז על ידי האנזים המכונה לקטאז (איור 6.17). מחסור בלקטאז הוא הגורם לאי סבילות ללקטוז.

גלקטוז מתחיל בהכנה לכניסה לגליקוליזה על ידי המרה לגלקטוז-1- פוספט (מזורז על ידי גלקטוקינאז - איור 6.18). גלקטוז-1-פוספט מחליף עם גלוקוז-1-פוספט מ-UDP-גלוקוז ליצירת UDP-גלקטוז (איור 6.19). אפימרז ממיר UDPGalactose בחזרה לגלוקוז UDP והמחזור הושלם. כל סיבוב של המחזור לוקח אפוא גלקטוז-1-פוספט אחד ומשחרר גלוקוז-1-פוספט אחד.

מחסור באנזימי המרת גלקטוז גורם להצטברות גלקטוז (מפירוק לקטוז). עודף גלקטוז מומר לגלקטיטול, אלכוהול סוכר. גלקטיטול בעדשת העין האנושית גורם לה לספוג מים וזה עשוי להיות גורם להיווצרות קטרקט. איור 6.17 - פירוק לקטוז לגלוקוז וגלקטוז על ידי לקטאז תמונה מאת פהר ג'ייקובסון איור 6.18 - תגובת גלקטוקינאז תמונה מאת פנלופה אירווינג פרוקטוז חופשי יכול גם להיכנס לגליקוליזה על ידי שני מנגנונים. ראשית, ניתן לזרחן אותו לפרוקטוז-6-פוספט על ידי הקסוקינאז. נקודת כניסה חלופית מעניינת יותר היא זו המוצגת באיור 6.20. זרחון של פרוקטוז על ידי פרוקטוקינאז מייצר פרוקטוז-1-פוספט ומחשוף של זה על ידי פרוקטוז-1- פוספט אלדולאז מניב DHAP וגליצראלדהיד.

זרחון של גליצראלדהיד על ידי טריוז קינאז מניב GLYAL3P. לאמצעי כניסה חלופי זה לפרוקטוז עשויות להיות השלכות חשובות מכיוון ש- DHAP ו- GLYAL3P מוכנסים למסלול הגליקוליזה תוך עקיפת ויסות PFK-1. יש שהציעו שזה עשוי להיות חשוב כאשר בוחנים מטבוליזם של סירופ תירס עתיר פרוקטוז, מכיוון שהוא מאלץ ייצור פירובט, מבשר של אצטיל-CoA, שהוא עצמו מבשר לחומצות שומן כאשר רמות ה- ATP גבוהות.

מטבוליזם של מנוז

מנוז יכול לעבור חילוף חומרים גם בגליקוליזה. במקרה זה, הוא נכנס דרך פרוקטוז בתהליך הדו-שלבי הבא - 1) פוספורילה- איור 6.19 - המרה של גלקטוז-1-פוספט לגלוקוז-6-פוספט תמונה מאת Aleia Kim tion על ידי הקסוקינאז לייצור מנוז-6- פוספט ואחריו המרתו לפרוקטוז-6-פוספט, מזורזת על ידי פוספומנואיזומראז (איור 6.21).

מטבוליזם של גליצרול

גליצרול הוא מולקולה חשובה לסינתזה של שומנים, גליצרופוספוליפידים ושומנים ממברנה אחרים. לרוב הוא עשוי לגליצרול -3- פוספט (איור 6.22) ומסלולי הגליקוליזה/גלוקונאוגנזה חשובים הן לייצור התרכובת והן למטבוליזם שלה. חומר הביניים הרלוונטי במסלולים אלה הן לייצור והן לשימוש בגליצרול -3-פוספט הוא DHAP. האנזים גליצרול -3-פוספט דהידרוגנאז ממיר באופן הפיך גליצרול-3-פוספט ל-DHAP (איור 6.22).

תגובה זו, שהיא חמצון, מעבירה אלקטרונים ל- NAD+ כדי לייצר NADH. בתגובה ההפוכה, ייצור גליצרול--3- פוספט מ-DHAP, כמובן, דורש אלקטרונים מ-NADH להפחתה. הן הגליקוליזה והן הגלוקונאוגנזה הם מקורות DHAP, כלומר כאשר התא זקוק לגליצרול-3-פוספט הוא יכול להשתמש בסוכרים (גלוקוז, פרוקטוז, מנוז או גלקטוז) כמקורות בגליקוליזה. עבור גלוקונאוגנזה, המקורות כוללים פירובט, אלנין ואיור 6.20 - כניסת פרוקטוז לגליקוליזה, עקיפת PFK-1 תמונה מאת פנלופה אירווינג איור 6.21 - כניסה של סוכרים אחרים לגליקוליזה תמונה מאת פנלופה אירווינג לקטט (ניתן להפוך את שניהם בקלות לפירובט), אוקסלואצטט, חומצה אספרטית (שניתן להפוך לאוקסלואצטט על ידי טרנסלואצטט), ואחרים. ניתן להמיר את כל תוצרי הביניים של מחזור חומצת הלימון (ומחזור הגליוקסילט) בסופו של דבר לאוקסלואצטט, שהוא גם תוצר ביניים של גלוקונאוגנזה.

ראוי לציין כי בעלי חיים אינם מסוגלים להשתמש בחומצות שומן כחומרים לגלוקונאוגנזה בכמויות נטו, אך הם יכולים, למעשה, להשתמש בגליצרול הן בגליקוליזה והן בגלוקונאוגנזה. זהו החלק היחיד במולקולת השומן שניתן להשתמש בו כך.

מטבוליזם פירובט

כאמור, פירובט המיוצר בגליקוליזה יכול להתחמצן לאצטיל-CoA, שהוא עצמו מחומצן במחזור חומצת הלימון לפחמן דו חמצני. עם זאת, זה לא הגורל המטבולי היחיד של פירובט (איור 6.23).

פירובט הוא נקודת "התחלה" לגלוקונאוגנזה, המומר לאוקסלואצטט במיטוכונדריון בשלב הראשון. פירובט בבעלי חיים יכול גם להיות מופחת לקטט על ידי הוספת אלקטרונים מ NADH (איור 6.24). תגובה זו מייצרת NAD+ והיא קריטית ליצירת המולקולה האחרונה כדי לשמור על תגובת גליצראלדהיד-3-פוספט דהידרוגנאז של הגליקוליזה (תגובה #6) בתנאים שבהם אין חמצן.

הסיבה לכך היא שחמצן נחוץ כדי שמערכת הובלת האלקטרונים (ETS) תפעל והוא מבצע את הפונקציה החשובה של המרת NADH בחזרה ל- NAD+. כאשר ה-ETS פועל, NADH תורם אלקטרונים לקומפלקס I ומתחמצן ל-NAD+ בתהליך, ויוצר את הביניים הדרוש לחמצון GLYAL-3P. בהיעדר חמצן, לעומת זאת, לא ניתן להמיר NADH לאיור 6.22 - תגובות בחילוף החומרים של גליצרול תמונה מאת פנלופה אירווינג NAD+ על ידי ה-ETS, ולכן אמצעי חלופי לייצור NAD+ נחוץ לשמירה על גליקוליזה בתנאי חמצן נמוכים (תְסִיסָה).

חיידקים ושמרים מייצרים NAD+ בתנאים חסרי חמצן על ידי ביצוע תסיסה בצורה אחרת (איור 6.25). הם משתמשים בתגובות הדורשות NADH המחדשות NAD+ תוך ייצור אתנול מפירובט במקום לייצר לקטט. לפיכך, תסיסה של פירובט חיונית כדי לשמור על פעולת הגליקוליזה כאשר החמצן מגביל. זה גם מסיבות אלה כי בישול של בירה (באמצעות שמרים) כרוך דלדול של חמצן ושרירים דלים בחמצן לייצר חומצה לקטית (בעלי חיים).

פירובט הוא מבשר לאלנין אשר ניתן לסנתז בקלות על ידי העברת חנקן מתורם אמין, כגון חומצה גלוטמית. ניתן להמיר פירובט לאוקסלואצטט על ידי קרבוקסילציה בתהליך הגלוקונאוגנזה (ראה להלן).

האנזימים המעורבים בחילוף החומרים של פירובאט כוללים פירובאט דהידרוגנאז (מייצר אצטיל-CoA), לקטט דהידרוגנאז (מייצר לקטט), טרנסמינזות (מייצרים אלנין), פירובט קרבוקסילאז (יוצר שור- איור 6.23 - מטבוליזם של פירובט. כאשר חסר חמצן, פירובט הופך ללקטט (בעלי חיים) או אתנול (חיידקים ושמרים). כאשר קיים חמצן, פירובט הופך לאצטיל-CoA. לא מוצג - טרנסמינציה של פירובט לאלנין או קרבוקסילציה ליצירת אוקסלואצטט. אלואצטט), ופירובאט דקרבוקסילאז (חלק מפירובאט דהידרוגנאז שיוצר אצטאלדהיד בחיידקים ובשמרים).

פעולה קטליטית וויסות של קומפלקס פירובאט דהידרוגנאז נדונים בסעיף על מחזור חומצת הלימון (כאן).

גלוקונאוגנזה

המקבילה האנבולית לגליקוליזה היא גלוקונאוגנזה (איור 6.26), המופיעה בעיקר בתאי הכבד והכליה ולמעשה ללא תאים אחרים בגוף. בשבע מתוך אחת עשרה התגובות של גלוקונאוגנזה (החל מפירובט) משתמשים באותם אנזימים כמו בגליקוליזה, אך כיווני התגובה הפוכים. יש לציין כי ערכי ∆G של תגובות אלה בתא הם בדרך כלל קרוב לאפס, כלומר ניתן לשלוט בקלות על הכיוון שלהם על ידי שינוי ריכוזי המצע והמוצר בכמויות קטנות.

שלושת האנזימים המווסתים של הגליקוליזה מזרזים כולם תגובות שערכי ה-∆G התאיים שלהם אינם קרובים לאפס, מה שהופך מניפולציה של כיוון התגובה עבור ה-reac- איור 6.24 - היווצרות לקטט בתסיסה של בעלי חיים מייצרת NAD+ עבור G3PDH תמונה מאת בן קרסון איור 6.25 - היווצרות אתנול בתסיסה מיקרוביאלית מייצרת NAD+ עבור G3PDH תמונה מאת בן קרסון לא טריוויאלית. כתוצאה מכך, תאים משתמשים בתגובות "לעקוף" המזרזות על ידי ארבעה אנזימים שונים כדי להעדיף גלוקונאוגנזה, במידת הצורך.

עקיפת פירובאט קינאז

שניים מהאנזימים (פירובאט קרבוקסילאז ו-PEP carboxykinase - PEPCK) מזרזים תגובות העוקפות פירובאט קינאז. F1,6BPase עוקף PFK-1 ו- G6Pase עוקף הקסוקינאז. יש לציין כי פירובאט קרבוקסילאז ו-G6Pase נמצאים במיטוכונדריה וברשת האנדופלזמית, בהתאמה, בעוד שהשניים האחרים נמצאים בציטופלזמה יחד עם כל האנזימים של הגליקוליזה.

ביוטין קואנזים חשוב המשמש את פירובאט קרבוקסילאז הוא ביוטין (איור 6.27). ביוטין משמש בדרך כלל על ידי קרבוקסילאזים לשאת CO2 לשילוב במצע.

ידוע גם בשם ויטמין H, ביוטין הוא ויטמין B מסיס במים (B7) הדרוש לתהליכים מטבוליים רבים, כולל סינתזת חומצות שומן, גלוקונאוגנזה ומטבוליזם של חומצות אמינו. מחסור בוויטמין הוא נדיר, מכיוון שהוא מיוצר בקלות על ידי גלוקונאוגנזה במעיים וגליקוליזה. מוצגים רק האנזימים השונים בגלוקונאוגנזה תמונה מאת אליה קים טריה. ישנן טענות רבות ליתרונות של נטילת תוספי ביוטין, אך אין אינדיקציה חזקה ליתרונות ברוב המקרים. ליקויים קשורים לטעויות גנטיות מולדות, אלכוהוליזם, חולי כוויות ואנשים שעברו כריתת קיבה. חלק מהנשים ההרות והמניקות עשויות להפחית את הרמות עקב עלייה בקטבוליזם של ביוטין.

רגולציה הדדית

כל האנזימים של הגליקוליזה ותשעה מתוך אחד עשר האנזימים של הגלוקונאוגנזה נמצאים כולם בציטופלזמה, מה שמחייב אמצעי מתואם לשליטה בהם. תאים בדרך כלל צריכים למזער את המידה שבה מסלולים אנבוליים וקטבוליים מזווגים מתרחשים בו זמנית, שמא ייצרו מחזור חסר תועלת, וכתוצאה מכך אנרגיה מבוזבזת ללא מוצר מוחשי מלבד חום. למנגנוני השליטה במסלולים אלה יש השפעות הפוכות על תהליכים קטבוליים ואנבוליים. שיטת בקרה זו נקראת רגולציה הדדית (ראה לעיל).

ויסות הדדי הוא אמצעי מתואם לשליטה בו זמנית במסלולים מטבוליים שעושים דברים הפוכים. בוויסות הדדי, מולקולה אחת (ויסות אלוסטרי) או שינוי קוולנטי יחיד (זרחון/דה-פוספורילציה,

ויסות אלוסטרי של גליקוליזה וגלוקונאוגנזה

רגולציה הדדית

AMP - מפעיל PFK-1, מעכב F1,6BPase

F2,6BP - מפעיל PFK-1, מעכב F1,6BPase

ציטראט - מפעיל PFK-1, מעכב F1,6BPase

גליקוליזה בלבד

ATP - מעכב PFK-1 ופירובאט קינאז

אלנין - מעכב פירובט קינאז

גלוקונאוגנזה בלבד

ADP - מעכב פירובט קרבוקסילאז ו- PEPCK

אצטיל-CoA - מפעיל פירובט קרבוקסילאז

איור 6.27 - לביוטין הנושא פחמן דו חמצני (אדום) ויקיפדיה למשל) יש השפעות הפוכות על המסלולים השונים.

השפעות אלוסטריות הדדיות לדוגמה, בגליקוליזה, האנזים המכונה פוספופרוקטוקינאז (PFK-1) מופעל באופן אלוסטרי על ידי AMP ומולקולה המכונה F2,6BP (איור 6.28). האנזים המקביל מגלוקונאוגנזה המזרז היפוך של תגובת הגליקוליזה ידוע בשם F1,6BPase. F1,6BPase מעוכב הן על ידי AMP והן על ידי F2,6BP.

השפעות קוולנטיות הדדיות

במטבוליזם של גליקוגן, האנזימים פוספורילאז קינאז וגליקוגן פוספורילאז מזרזים תגובות חשובות לפירוק הגליקוגן. האנזים גליקוגן סינתאז מזרז את הסינתזה של גליקו- מהירות כיוונית מתהפך עם הדדיות אם הגליקוליזה זורמת סינתזת הגלוקוז ממתינה אבל כשהאחרון הולך פירוק הסוכר יורד אז איור 6.28 - ויסות הגליקוליזה (נתיב כתום) וגלוקונאוגנזה (נתיב שחור) תמונה מאת Aleia Kim gen. כל אחד מהאנזימים הללו מוסדר, לפחות בחלקו, על ידי התקשרות והסרה של פוספט.

זרחון של פוספורילאז קינאז וגליקוגן פוספורילאז משפיע על הפיכתם לפעילים יותר, ואילו זרחון של גליקוגן סינתאז הופך אותו לפחות פעיל. לעומת זאת, לדה-פוספורילציה יש השפעות הפוכות על אנזימים אלה - פוספורילאז קינאז וגליקוגן פוספורילאז הופכים פחות פעילים וגליקוגן סינתאז הופך להיות פעיל יותר.

פשוט ויעיל

היתרון של תוכניות רגולציה הדדית הוא שהם יעילים מאוד. לא נדרשות מולקולות נפרדות או טיפולים נפרדים כדי לשלוט בשני מסלולים בו זמנית. יתר על כן, הפשטות שלו מבטיחה שכאשר מסלול אחד מופעל, השני כבוי.

זה חשוב במיוחד עם ויסות קטבולי/אנבולי, מכיוון ששני המסלולים מתרחשים בו זמנית בתא אינו פרודוקטיבי במיוחד, מה שמוביל רק לייצור חום במחזור חסר תועלת. מחזור חסר תוחלת פשוט מוצג באיור 6.29. אם לא מווסת, המסלול המחזורי באיור (מוצג בשחור) ייצור ATP ביצירת פירובט מ-PEP וישתמש ב-ATP לייצור אוקסלואצטט מפירובט.

זה גם ישתמש ב- GTP לייצור PEP מאוקסלואצטט. לפיכך, כל סיבוב במחזור ייצור ATP אחד, ישתמש ב- ATP אחד וישתמש ב- GTP אחד לאובדן אנרגיה נטו. התהליך יתחיל בפירובט ויסתיים בפירובט, כך שאין ייצור נטו של מולקולות. (ראה כאן לשימוש פיזיולוגי אחד במחזור חסר תועלת).

בקרות גלוקונאוגנזה ספציפיות

מלבד ויסות הדדי, מנגנונים אחרים עוזרים לשלוט בגלוקונאוגנזה. ראשית, PEPCK נשלטת במידה רבה ברמת הסינתזה. ביטוי יתר של PEPCK (מגורה על ידי גלוקגון, הורמונים גלוקוקורטיקואידים ו- cAMP ומעוכב על ידי אינסולין) מייצר תסמינים של סוכרת.

פירובט קרבוקסילאז מונח במיטוכונדריון (אמצעי ויסות אחד) איור 6.29 - מחזור חסר תוחלת פשוט - עקוב אחר הקווים השחורים תמונה מאת Aleia Kim מודול למידה אינטראקטיבי כאן והוא רגיש לאצטיל-CoA, שהוא מפעיל אלוסטרי. ריכוזי האצטיל-CoA גדלים ככל שפעילות מחזור חומצת הלימון יורדת. גלוקוז-6- פוספטאז קיים בריכוזים נמוכים ברקמות רבות, אך נמצא בשפע והכי חשוב באיברים הגלוקונאוגניים העיקריים - הכבד וקליפת הכליות.

פקדי גליקוליזה ספציפיים

שליטה בגליקוליזה וגלוקונאוגנזה אינה יוצאת דופן במסלולים מטבוליים, בכך שהוויסות מתרחש במספר נקודות. עבור גליקוליזה, זה כולל שלושה אנזימים:

1. הקסוקינאז (גלוקוז G6P)

2. פוספופרוקטוקינאז -1 (F6P F1,6BP)

3. פירובט קינאז (PEP פירובט).

ויסות הקסוקינאז הוא הפשוט ביותר מבין אלה. האנזים יוצא דופן בכך שהוא מעוכב על ידי המוצר שלו, גלוקוז-6-פוספט. זה מבטיח שכאשר הגליקוליזה מאטה את ההקסוקינאז גם מאט כדי להפחית את הזנת המסלול.

פירובט קינאז

זה אולי גם נראה מוזר שפירובאט קינאז, האנזים האחרון במסלול, מוסדר (איור 6.30), אבל הסיבה היא פשוטה. פירובאט קינאז מזרז את התגובה העשירה ביותר מבחינה אנרגטית של גליקוליזה. התגובה מועדפת כל כך חזק בכיוון קדימה, עד שהתאים חייבים לעשות 'שני שלבים' סביבה בכיוון ההפוך בעת יצירת גלוקוז במסלול הגלוקונאוגנזה. במילים אחרות, נדרשים שני אנזימים, שתי תגובות ושני טריפוספטים (ATP ו-GTP) כדי לעבור מפירובט אחד בחזרה ל-PEP אחד בגלוקונאוגנזה. כאשר תאים צריכים לייצר גלו-איגור 6.30 - ויסות של פירובאט קינאז לתאים עלות מחזור גלוקוז היא אנרגיה בקצף ארבעה ATP בכל פעם הולכים לאיבוד מתכניות שבירה/ייצור אז השתמש בחום מטבולי כדי להתחמם בתוך כפות הרגליים שלך אחרת זה לא מועיל לתרגל חוסר תוחלת כזה, לא ניתן להסיט אותם על ידי כך שה- PEP שהם עשו בגלוקונאוגנזה יומר ישירות בחזרה לפירובט על ידי פירובאט קינאז. כתוצאה מכך, יש לעכב פירובאט קינאז במהלך הגלוקונאוגנזה או שיתרחש מחזור חסר תועלת ולא ייווצר גלוקוז.

מנגנון בקרה מעניין נוסף הנקרא הפעלת הזנה קדימה כולל פירובאט קינאז. פירובאט קינאז מופעל באופן אלוסטרי על ידי תוצר הביניים של הגליקוליזה, F1,6BP. מולקולה זו היא תוצר של תגובת PFK-1 ומצע לתגובת האלדולאז.

התגובות נמשכו

כפי שצוין לעיל, תגובת האלדולאז אינה חיובית מבחינה אנרגטית (∆G° חיובי גבוה), ובכך מאפשרת ל- F1,6BP להצטבר. כאשר זה קורה, חלק מהעודף F1,6BP נקשר לפירובאט קינאז, המפעיל וקופץ- איור 6.31 - ויסות סינתזה ופירוק של F2,6BP תמונה מאת פנלופה אירווינג מתחילה את ההמרה של PEP לפירובט. לירידה המתקבלת ברמות ה- PEP יש השפעה של "משיכה" על התגובות שקדמו לפירובאט קינאז. כתוצאה מכך, הריכוזים של GLYAL3P ו-DHAP נופלים, ועוזרים למשוך את תגובת האלדולאז קדימה.

תקנת PFK-1

PFK-1 יש תוכנית רגולציה מורכבת. ראשית, הוא מווסת באופן הדדי (ביחס ל- F1,6BPase) על ידי שלוש מולקולות. F2,6BP מפעיל PFK-1 ומעכב F1,6BPase. PFK-1 מופעל גם באופן אלוסטרי על ידי AMP, ואילו F1,6BPase מעוכב. מצד שני, ציטראט מעכב PFK-1, אך מפעיל F1,6BPase.

PFK-1 מעוכב גם על ידי ATP והוא רגיש להפליא לריכוז הפרוטונים, ומאבד בקלות פעילות כאשר ה- pH יורד רק במעט. עיכוב PFK-1 על ידי ATP ראוי לציון ומוזר במבט ראשון מכיוון ש- ATP הוא גם מצע שריכוזו הגובר אמור להעדיף את התגובה במקום לעכב אותה. שורש החידה הזו הוא של- PFK-1 יש שני אתרי קישור ל- ATP - אחד באתר אלוסטרי הקושר ATP בצורה לא יעילה יחסית ואחד שהאתר הפעיל הקושר ATP בזיקה גבוהה. לפיכך, רק כאשר ריכוז ה- ATP גבוה מועדף הקישור באתר האלוסטרי ורק אז ATP יכול לכבות את האנזים.

תקנת F2,6BP

ויסות PFK-1 על ידי F2,6BP הוא פשוט ברמת PFK-1, אך מסובך יותר ברמת הסינתזה של F2,6BP. למרות שיש לו שם שנשמע כמו תוצר ביניים של גליקוליזה/גלוקונאוגנזה (F1,6BP), F2,6BP אינו ביניים בשני המסלולים. במקום זאת, הוא עשוי מפרוקטוז-6-פוספט ו- ATP על ידי האנזים המכונה פוספופרוקטוקינאז -2 (PFK- 2 - איור 6.31).

מחזור קורי

ביחס לאנרגיה, הכבד והשרירים פועלים באופן משלים. הכבד הוא העיקרי או- איור 6.32 - מחזור הקורי תמונה מאת אליה קים גאן בגוף לסינתזה של גלוקוז. שרירים הם משתמשים עיקריים בגלוקוז לייצור ATP. פעילות גופנית פעילה של השרירים משתמשים בחמצן מהר יותר מכפי שהדם יכול לספק אותו. כתוצאה מכך, השרירים הולכים אנאירוביים ומייצרים לקטט. לקטט זה אינו מועיל לתאי שריר, ולכן הם זורקים אותו לדם. לקטט עובר בדם אל הכבד, אשר לוקח אותו ומחמצן אותו מחדש לפירובאט, מזורז על ידי האנזים לקטט דהידרוגנאז (איור 6.32).

פירובט בכבד הופך לאחר מכן לגלוקוז על ידי גלוקונאוגנזה. הגלוקוז שנוצר על ידי הכבד נזרק לזרם הדם שם הוא נקלט על ידי השרירים ומשמש לאנרגיה, ומשלים את המסלול הבין-תאי החשוב המכונה מחזור הקורי.

מחזור אלנין גלוקוז

מחזור האלנין של הגלוקוז (הידוע גם בשם מחזור קאהיל), תואר כמקבילה לאמין למחזור הקורי (איור 6.33). מחזור הקורי, כמובן, מייצא lac- איור 6.33 - חפיפה בין מחזור הקורי למחזור האלנין הגלוקוז מהשרירים (כאשר החמצן מגביל) לכבד דרך זרם הדם. הכבד, בתורו, ממיר לקטט לגלוקוז, אותו הוא שולח בחזרה לשרירים דרך זרם הדם. מחזור הקורי הוא מקור חיוני לאנרגיית גלוקוז לשרירים בתקופות של פעילות גופנית כאשר משתמשים בחמצן מהר יותר מכפי שניתן להעביר אותו.

במחזור הגלוקוז-אלנין, התאים מייצרים אמינים רעילים ועליהם לייצא אותם. זה מושג על ידי טרנסמינציה של פירובט (תוצר הגליקוליזה) לייצור חומצת האמינו אלנין.

תהליך הגלוקוז-אלנין דורש את האנזים אלנין אמינוטרנספרז, שנמצא בשרירים, בכבד ובמעיים. אלנין מיוצא בתהליך לדם ונאסף על ידי הכבד, מה שמסיר אותו כדי לשחרר את האמין לסינתזה של אוריאה והפרשה. הפירובט שנשאר לאחר הטרנסמינציה הוא מצע לגלוקונאוגנזה. גלוקוז המיוצר בכבד מיוצא לאחר מכן לדם לשימוש על ידי תאים, ובכך משלים את המחזור.

מטבוליזם של פוליסכריד

סוכרים עוברים חילוף חומרים במהירות בגוף וזו אחת הסיבות העיקריות לכך שהם משמשים. ניהול רמות הגלוקוז בגוף חשוב מאוד - יותר מדי מוביל לסיבוכים הקשורים לסוכרת ומעט מדי מוליד היפוגליקמיה (רמת סוכר נמוכה בדם). סוכרים בגוף נשמרים על ידי שלושה תהליכים - 1) דיאטה; 2) סינתזה (גלוקונאוגנזה); ו 3) אחסון. צורות האחסון של הסוכרים הן, כמובן, הפוליסכרידים וחילוף החומרים שלהם הוא נושא הדיון הבא שלנו.

עמילוז ועמילופקטין

צרכי האנרגיה של צמח הם הרבה פחות דינמיים מאלו של בעלי חיים. התכווצות שרירים, מערכות עצבים ועיבוד מידע במוח דורשים כמויות גדולות של אנרגיה מהירה. בגלל זה, הפוליסכרידים המאוחסנים בצמחים הם קצת פחות מסובכים מאלו של בעלי חיים. צמחים אוגרים גלוקוז לאנרגיה בצורה של עמילוז (איור 6.34 וראה כאן) ועמילופקטין ולשלמות מבנית בצורה של תאית (ראה כאן). מבנים אלה נבדלים בכך שתאית מכילה יחידות גלוקוז המחוברות אך ורק לקשרים β-1,4, ואילו לעמילוז יש רק קשרים α-1,4 ולעמילופקטין יש קשרים α-1,4 ו- α-1,6. איור 6.34 עמילוז, פולימר של גלוקוז בצמחים

גליקוגן

בעלי חיים אוגרים גלוקוז בעיקר בכבד ובשרירים בצורה של תרכובת הקשורה לאמילופקטין המכונה גליקוגן. ההבדלים המבניים בין גליקוגן לאמילופקטין נובעים אך ורק מתדירות הענפים α-1,6 של גלוקוזות. בגליקוגן הם מופיעים בערך כל 10 שאריות במקום כל 30-50, כמו באמילופקטין (איור 6.35).

גליקוגן מספק מקור נוסף לגלוקוז מלבד זה המיוצר באמצעות גלוקונאוגנזה. מכיוון שגליקוגן מכיל כל כך הרבה גלוקוזים, הוא פועל כמו גיבוי סוללה לגוף, ומספק מקור מהיר לגלוקוז בעת הצורך ומספק מקום לאחסון עודף גלוקוז כאשר ריכוזי הגלוקוז בדם עולים.

הסתעפות הגליקוגן היא תכונה חשובה של המולקולה גם מבחינה מטבולית. מכיוון שהגליקוגן מתפרק מ"קצוות "המולקולה, ענפים נוספים מתורגמים לקצוות נוספים, ויותר גלוקוז שניתן לשחרר בבת אחת.

בדיוק כמו בגלוקונאוגנזה, לתא יש מנגנון נפרד לסינתזת גליקוגן הנבדל מפירוק הגליקוגן. כפי שצוין קודם לכן, הדבר מאפשר לתא לשלוט בנפרד בתגובות, להימנע ממחזורים חסרי תועלת ולאפשר לתהליך להתרחש ביעילות (סינתזה של גליקוגן) שלא היה מתרחש אם איור 6.35 - מבנה גליקוגן - α-1,4 מקשר עם α-1,6 ענפים כל 7-10 שאריות זה היה פשוט היפוך פירוק הגליקוגן.

פירוק גליקוגן

פירוק הגליקוגן כולל 1) שחרור גלוקוז-1-פוספט (G1P), 2) סידור מחדש של הגליקוגן הנותר (לפי הצורך) כדי לאפשר המשך פירוק, ו-3) המרה של G1P ל-G6P להמשך חילוף חומרים. G6P יכול להיות 1) בשימוש בגליקוליזה, 2) להמיר לגלוקוז על ידי גלוקונאוגנזה, או 3) מחומצן במסלול הפנטוז פוספט.

גליקוגן פוספורילאז (לפעמים נקרא בפשטות פוספורילאז) מזרז את פירוק הגליקוגן לגלוקוז-1- פוספט (G1P - איור 6.36). התגובה המייצרת G1P מגליקוגן היא פוספורוליזה, לא תגובת הידרוליזה. ההבחנה היא שתגובות הידרוליזה משתמשות במים כדי לבקע מולקולות גדולות יותר לקטנות יותר, אך תגובות זרחן משתמשות במקום זאת בפוספט לאותה מטרה. שימו לב שהפוספט הוא בדיוק זה - הוא לא מגיע מ-ATP. מכיוון ש- ATP אינו משמש לשים פוספט על G1P, התגובה חוסכת את אנרגיית התא.

אנזים מסיר הסתעפות גליקוגן

גליקוגן פוספורילאז יפעל רק בקצוות לא מפחיתים של שרשרת גליקוגן המרוחקים לפחות 5 גלוקוזים מנקודת הסתעפות. לכן יש צורך באנזים שני, אנזים מסיר הסתעפות גליקוגן (GDE) (הנקרא גם אנזים מסיר הסתעפות) כדי להמיר ענפי α (1-6) לענפי α (1-4). GDE פועל על ענפי גליקוגן שהגיעו לגבול הפוספוריליזה שלהם עם גליקוגן פוספורילאז. איור 6.36 - שבירת קשרים α-1,4 של גליקוגן על ידי גליקוגן פוספורילאז תמונה מאת Aleia Kim מודול למידה אינטראקטיבי כאן

GDE פועל להעברת טריסכריד מענף α-1,6 לענף α-1,4 סמוך, ומשאיר גלוקוז בודד בענף 1,6. שימו לב שהאנזים מזרז גם את ההידרוליזה של הגלוקוז הנותר בנקודת הענף 1,6 (איור 6.37). לפיכך, תוצרי הפירוק מגליקוגן הם G1P וגלוקוז (בעיקר G1P). ניתן כמובן להמיר גלוקוז לגלוקוז-6-פוספט (G6P) כשלב הראשון בגליקוליזה על ידי הקסוקינאז או גלוקוקינאז.

ניתן להמיר G1P ל- G6P על ידי פעולה של אנזים הנקרא פוספוגלוקומוטאז. תגובה זו הפיכה בקלות, ומאפשרת להמיר G6P ו- G1P ככל שהריכוז של זה או אחר עולה. זה חשוב, מכיוון שיש צורך בפוספוגלוקומוטאז ליצירת G1P לסינתזת גליקוגן.

ויסות חילוף החומרים של הגליקוגן

ויסות חילוף החומרים של הגליקוגן הוא מורכב, המתרחש הן באופן אלוסטרי והן באמצעות אירועים מבוקרים של קולטן הורמונים הגורמים לזרחון חלבון או דה-פוספורילציה. על מנת להימנע ממחזור חסר תועלת של סינתזה ופירוק גליקוגן בו זמנית, התאים פיתחו מערך בקרות משוכלל שמבטיח שרק מסלול אחד פעיל בעיקר בכל פעם.

ויסות חילוף החומרים של הגליקוגן מנוהל על ידי האנזימים גליקוגן פוספורילאז וגליקוגן סינתאז. גליקוגן פוספורילאז מווסת הן על ידי גורמים אלוסטריים (ATP, G6P, AMP וגלוקוז) והן על ידי שינוי קוולנטי (זרחון/דה-פוספורילציה). הוויסות שלו עולה בקנה אחד עם צרכי האנרגיה של התא. מולקולות בעלות אנרגיה גבוהה (ATP, G6P, גלוקוז) אל- איור 6.37 - פעילות קטליטית של אנזים מסיר הסתעפות מעכבת בצורה לוסטרית את הגליקוגן פוספורילאז, בעוד שמולקולת האנרגיה הנמוכה AMP מפעילה אותו באופן אלוסטרי.

ויסות אלוסטרי GPA/GPb

גליקוגן פוספורילאז קיים בשתי צורות קוולנטיות שונות - צורה אחת עם פוספט (נקראת כאן GPa) וצורה אחת חסרת פוספט (GpB כאן). GpB מומר ל- GPa על ידי זרחון על ידי אנזים המכונה פוספורילאז קינאז. GPa ו- GpB יכולים להתקיים כל אחד במצב 'R' ובמצב 'T' (איור 6.38). הן עבור GPa והן עבור GpB, מצב R הוא הצורה הפעילה יותר של האנזים. האפקטור האלוסטרי השלילי של GPa (גלוקוז) בדרך כלל אינו שופע בתאים, ולכן GPa אינו מתהפך למצב T לעתים קרובות. אין אפקטור אלוסטרי חיובי של GPa. כאשר גלוקוז נעדר, GPa מתהפך אוטומטית למצב R (פעיל יותר) (איור 6.39). מסיבה זו אנשים נוטים לחשוב על GPa כעל הצורה הקוולנטית הפעילה יותר של האנזים.

GpB יכול להמיר ממצב GpB T למצב GpB R על ידי קישור AMP. אלא אם כן התא דל באנרגיה, ריכוז AMP נמוך. לפיכך GpB אינו מומר איור 6.38 - ויסות גליקוגן פוספורילאז - קוולנטי (אופקי) ואלוסטרי (אנכי) תמונה מאת אליה קים למצב R לעתים קרובות מאוד. זו הסיבה שאנשים חושבים על צורת ה- GpB כפחות פעילה מ- GPa. מצד שני, ATP ו/או G6P נמצאים בדרך כלל בריכוז גבוה מספיק בתאים כדי ש-GpB הופך בקלות למצב T (איור 6.40).

ויסות קוולנטי GPA/Gpb

הכמויות היחסיות של GPa ו- GpB שולטות במידה רבה בתהליך הכולל של פירוק הגליקוגן, שכן GPa נוטה להיות פעיל לעתים קרובות יותר מאשר GpB. זה אני

לפוספורילאז קינאז עצמו יש שתי צורות קוולנטיות - זרחני (פעיל) ודה-פוספורילציה (לא פעיל). הוא זרחני על ידי האנזים חלבון קינאז A (PKA -). דרך נוספת להפעיל את האנזים היא אלוסטרית עם סידן (איור 6.41). זרחן- איור 6.39 - ויסות אלוסטרי של GPa תמונה מאת Aleia Kim איור 6.40 - ויסות אלוסטרי של GpB תמונה מאת Aleia Kim lase kinase עוברת דה-פוספורילציה על ידי פוספרוטאין פוספטאז, אותו אנזים שמסיר פוספט מ-GPa.

PKA וקמפקאמפ

PKA מופעל על ידי cAMP, אשר, בתורו, מיוצר על ידי אדנילט ציקלאז לאחר הפעלה על ידי חלבון G (ראה כאן לסקירה כללית). חלבוני G מופעלים בסופו של דבר על ידי קישור של ליגנדים לקולטני קרום ספציפיים הנקראים קולטני 7-TM, הידועים גם בשם קולטנים מצמידים Gprotein. אלה נדונים בפירוט רב יותר כאן. ליגנדים נפוצים לקולטני 7-TM כוללים אפינפרין (קושר קולטן β- אדרנרגי) וגלוקגון (קושר קולטן גלוקגון). אפינפרין מפעיל את השפעותיו הגדולות ביותר על השרירים והגלוקגון פועל באופן מועדף על הכבד. לפיכך, אפינפרין וגלוקגון יכולים להפעיל פירוק גליקוגן על ידי גירוי סינתזה של cAMP ואחריו מפל האירועים שתואר לעיל.

כיבוי פירוק הגליקוגן

כיבוי אותות חשוב לא פחות, אם לא יותר, מאשר להפעיל אותם. גליקוגן הוא משאב יקר. אם התמוטטותו אינה נשלטת, מבוזבזת אנרגיה רבה המשמשת בסינתזה שלה. ניתן להפוך את השלבים במסלול הרגולטורי של פירוק הגליקוגן בכל רמה. ראשית, הליגנד (אפינפרין או גלוקגון) יכול לעזוב את הקולטן ולכבות את הגירוי. שנית, לחלבוני G יש פעילות GTPase אינהרנטית. GTP, כמובן, הוא מה שמפעיל Gproteins, כך שפעילות GTPase ממירה את ה-GTP שהיא נושאת ל-GDP וחלבון ה-G הופך ללא פעיל. לפיכך, חלבוני G מכבים איור 6.41 - הפעלת פוספורילאז קינאז תמונה מאת אליה קים הפעילות שלהם. הפרעה ליכולתם להמיר GTP לתוצר יכולה להיות בעלת השלכות קשות, כולל סרטן במקרים מסוימים.

שלישית, לתאים יש אנזימי פוספודיאסטרז (מעוכבים על ידי קפאין) לפירוק cAMP. cAMP נחוץ להפעלת PKA, כך שפירוקו מונע מ-PKA להפעיל פוספורילאז קינאז. רביעית, האנזים המכונה פוספטאז פוספופרוטאין (נקרא גם PP1) ממלא תפקיד מרכזי. זה יכול להסיר פוספטים מפוספורילאז קינאז (להשבית אותו) וליצור GPa, ולהמיר אותו לסבירות נמוכה יותר להיות GpB פעיל. ויסות פעילות פוספטאז פוספופרוטאין מתרחש במספר רמות. שניים מהם מוצגים באיורים 6.42 & 6.43.

באיור 6.42, פוספופרוטאין פוספטאז מוצג שהוא מושבת על ידי זרחון של מעכב (הנקרא PI-1 - ראה להלן). זה קורה כתוצאה מפעולות מדורגות מקשירה של אפינפרין (או גלוקגון) לקולטן β-אדרנרגי של התא. היפוך פעולות אלה מתרחש כאשר האינסולין נקשר לקולטן האינסולין של התא, וכתוצאה מכך הפעלה של פוספטאז פוספופרוטאין.

PI-1

המעכב PI-1 יכול לחסום פעילות של פוספטאז פוספטאז פוספטאז רק אם הוא (PI-1) זרחני. כאשר PI-1 מקבל דה-פוספורילציה, הוא כבר לא מתפקד כמעכב, ולכן פוספטאז פוספופרוטאין יהיה- איור 6.42 - השבתה של פוספטאז פוספופרוטאין על ידי חלבון קינאז A באמצעות זרחון של PI-1 (מעכב) והחלבון המחייב GM תמונה מאת מודול הלמידה האינטראקטיבית של פהר ג'ייקובסון כאן מגיע פעיל. עכשיו, הנה הקלינצ'ר - PI-1 מקבל זרחון על ידי PKA (ולכן, כאשר אפינפרין או גלוקגון נקשר לתא) ומקבל דה-פוספורילציה כאשר האינסולין נקשר לתא.

מנגנון רגולטורי נוסף

דרך נוספת לווסת פוספטאז פוספופרוטאין בכבד כוללת GPa ישירות (איור 6.43). בתאי הכבד, פוספטאז פוספופרוטאין קשור לחלבון הנקרא GL. GL יכול גם להיקשר ל- GPa. כפי שמוצג באיור, אם שלושת החלבונים מורכבים יחד (למעלה באיור), אז PP1 (פוספטאז פוספופרוטאין) אינו פעיל. כאשר קיים גלוקוז (כגון כאשר הכבד יצר יותר מדי גלוקוז), אז הגלוקוז החופשי נקשר ל- GPa וגורם לשחרור GPA מה- GPa מה- GL.

יש לכך השפעה של הפעלת פוספטאז פוספופרוטאין, שמתחיל לדה-פוספורילציה של אנזימים. כפי שמוצג באיור, שני אנזימים כאלה הם GpA (ייצור GpB) וגליקוגן סינתאז b, מה שהופך את הגליקוגן סינתאז א לדה-פוספורילציות אלו יש השפעות הפוכות על שני האנזימים, מה שהופך את GpB, שהוא פחות פעיל וגליקוגן סינתאז a, שהוא הרבה יותר פעיל.

סינתזת גליקוגן

המסלול האנאבולי המתנגד לפירוק הגליקוגן הוא זה של סינתזת גליקוגן. רק איור 6.43 - ויסות פעילות הפוספופרוטאין פוספטאז (PP-1) על ידי GPa תמונה מאת פנלופה אירווינג כתאים מווסתים באופן הדדי את הגליקוליזה והגלוקונאוגנזה כדי למנוע מחזור חסר תועלת בין המסלולים הללו, כך גם תאים משתמשים בתוכניות הדדיות לוויסות פירוק גליקוגן וסינתזה.

סינתזה של גליקוגן מתחילה ב-G1P, המומר לתווך 'מופעל', UDPGlucose. תוצר ביניים מופעל זה הוא מה ש'מוסיף 'את הגלוקוז לשרשרת הגליקוגן הגדלה בתגובה המזרזת על ידי האנזים המכונה גליקוגן סינתאז (איור 6.44). לאחר הוספת הגלוקוז לגליקוגן, ייתכן שיהיה צורך להכניס לתוכה ענפים על ידי האנזים המכונה אנזים מסועף (איור 6.45).

צעדים

הבה נבחן תחילה את השלבים בסינתזת הגליקוגן. 1) סינתזת גליקוגן מגלוקוז כוללת זרחון ליצירת G6P, ואיזומריזציה ליצירת G1P (באמצעות phospho-igure 6.45 - היווצרות ענף בגליקוגן על ידי אנזים מסועף תמונה מאת פנלופה אירווינג איור 6.44 - פעילות קטליטית של גליקוגן סינתאז תמונה מאת פנלופה אירווינג גלוקומוטאז, משותפת לפירוק גליקוגן). G1P מגיב עם UTP ליצירת UDP-גלוקוז בתגובה המזרזת על ידי פירופוספורילאז UDP-גלוקוז. גליקוגן סינתאז מזרז סינתזה של גליקוגן על ידי חיבור פחמן #1 של הגלוקוז שמקורו ב- UDP לפחמן #4 של הקצה הלא מפחית של שרשרת גליקוגן, ליצירת קישורי הגליקוגן המוכרים α (1,4). תוצר נוסף של התגובה הוא UDP.

דרישות "פריימר"

ראוי גם לציין, באופן חולף, כי סינתאז גליקוגן יוסיף רק יחידות גלוקוז מ- UDP גלוקוז לשרשרת גליקוגן קיימת שיש לה לפחות ארבעה שאריות גלוקוז. קישור של יחידות הגלוקוז הראשונות ליצירת ה"פריימר "המינימלי הדרוש לזיהוי גליקוגן סינתאז מזורז על ידי חלבון הנקרא גליקוגנין, הנצמד לגלוקוז הראשון ומזרז את ההצמדה של שמונת הגלוקוזות הראשונות על ידי קשרים α (1,4) 3) ענפי α (1,6) האופייניים של גליקוגן הם תוצרי האנזים המכונה אנזים מסועף. אנזים מסועף שובר שרשראות α (1,4) ונושא את השרשרת השבורה לפחמן #6 ויוצר הצמדה α (1,6) (איור 6.45).

ויסות סינתזת הגליקוגן

ויסות הביוסינתזה של גליקוגן הוא הדדי לזה של פירוק הגליקוגן. יש לו גם מערכת שינוי קוולנטית מדורגת הדומה למערכת פירוק הגליקוגן שתוארה לעיל. למעשה, חלק מהמערכת זהה לפירוק הגליקוגן. איתות אפינפרין או גלוקגון מעורר ציקלאז אדנילט ליצור cAMP, המפעיל PKA. איור 6.46 - ויסות הדדי על ידי מפל הזרחון - פירוק גליקוגן מופעל/סינתזת גליקוגן מעוכבת תמונה מאת פנלופה אירווינג

השפעת הזרחון

בסינתזת גליקוגן, חלבון קינאז A זרחן את הצורה הפעילה של גליקוגן סינתאז (GsA), וממיר אותו לצורת b הלא פעילה בדרך כלל (הנקראת GSb).

שימו לב למוסכמות של גליקוגן סינתאז וגליקוגן פוספורילאז. עבור שני האנזימים, הצורות הפעילות יותר נקראות צורות 'a' (GPa ו-GsA) והצורות הפחות פעילות נקראות צורות 'b' (GpB ו-GSb). ההבדל העיקרי, לעומת זאת, הוא של-GPa יש פוספט, אבל ל-GsA אין ול-GpB אין פוספט, אבל ל-GsB יש.

לפיכך לזרחון ודה-פוספורילציה יש השפעות הפוכות על האנזימים של חילוף החומרים של הגליקוגן (איור 6.46). זהו סימן ההיכר של רגולציה הדדית. יש לציין כי ניתן להפעיל את צורת הגליקוגן סינתאז הפחות פעילה, GSb, על ידי G6P. נזכיר כי ל- G6P הייתה השפעה הפוכה בדיוק על GPb.

ניתן לדה-פוספורילציה של גליקוגן, גליקוגן פוספורילאז (ופוספורילאז קינאז) על ידי אותו אנזים - פוספטאז פוספופרוטאין - והוא מופעל כאשר האינסולין נקשר לקולטן שלו בקרום התא.

תמונה גדולה

בתמונה הגדולה, קישור של אפינפרין או גלוקגון לקולטני תאים מתאימים מגרה מפל זרחון אשר מפעיל בו זמנית פירוק של גליקוגן על ידי גליקוגן פוספורילאז ומעכב סינתזה של גליקוגן על ידי גליקוגן סינתאז. אפינפרין, ידוע גם בשם אדרנלין, והתכונות שמעניק אדרנלין נובעות מעלייה זמנית גדולה של גלוקוז בדם, המניעה את השרירים.

מצד שני, אינסולין ממריץ דה-פוספורילציה על ידי הפעלת פוספטאז פוספופרוטאין. דה-פוספורילציה מפחיתה את פעולת הגליקוגן פוספורילאז (פחות פירוק גליקוגן) ומפעילה גליקוגן סינתאז (מתחיל סינתזת גליקוגן). גופנו מייצר גליקוגן כאשר רמות הגלוקוז בדם עולות. מכיוון שרמות גלוקוז גבוהות בדם מזיקות, האינסולין ממריץ את התאים לקלוט גלוקוז. בכבד ובתאי השריר, הגלוקוז שנלקח הופך לגליקוגן. איור 6.47 - כותנה - הצורה הטבעית הטהורה ביותר של תאית ויקיפדיה מודול למידה אינטראקטיבית כאן

סינתזת תאית

תאית מסונתזת כתוצאה מהקטליזה על ידי סינתאז תאית. בדומה לסינתזת גליקוגן זה דורש ביניים מופעל כדי להוסיף שאריות גלוקוז וישנם שני אפשריים - GDP-גלוקוז ו- UDPGlucose, תלוי באיזה סינתאז תאית מעורב. בצמחים תאית מספקת תמיכה לדפנות התא.

התגובה המזרזת מוצגת לאחר מכן כאשר צלולוזן = פולימר באורך [(1 → 4) -β-Dglucosyl] n יחידות.

תגובת ה-GDP-גלוקוז זהה למעט החלפה של GDP-גלוקוז ב-UDP איור 6.48 - מסלול הפוספט פנטוז - אנזימים - 1 = G6P דהידרוגנאז/2 = 6-פוספוגלוקונולקטונאז/3 = 6-PG דהידרוגנאז/4a = ריבוז 5- פוספט איזומראז/4b = ריבולוז 5-פוספט 3-אפימרז/5,7 = טרנסקטולאז/6 = טרנסקולאז/6 = טרנסקולאז/6 = טרנסקולאז/6 = טרנסקולאז/6 = טרנסקולאז/6 = טרנסקולאז/6 = טרנסקולאז/6 = טרנסקולאז/6 = טרנסקולאז/6 = טרנסקולאז/6 = טרנסקולאז/6 = טרנסקולאז/6 = טרנסקולאז/6 = טרנסקולאז UDP-גלוקוז + צלולוזן UDP+צלולוזן+1 גלוקוז. UDP-גלוקוז לתגובה מתקבל על ידי קטליזה של סינתאז סוכרוז. האנזים נקרא על שם התגובה ההפוכה.

מסלול פוספט פנטוז

מסלול הפנטוז פוספט (PPP - נקרא גם shunt hexose monophosphate) הוא מסלול חמצוני הכולל סוכרים המתואר לעיתים כמסלול מקביל לגליקוליזה. זהו, למעשה, מסלול עם כניסות ויציאות מרובות (איור 6.48). PPP הוא גם מקור עיקרי ל- NADPH לתגובות ביו-סינתטיות ויכול לספק ריבוז-5-פוספט לסינתזת נוקלאוטידים.

למרות שכאשר נמשכים החוצה, "נקודת ההתחלה" של המסלול מוצגת לעתים קרובות כגלוקוז-6-פוספט (G6P), למעשה ישנן נקודות כניסה מרובות כולל תוצרי ביניים אחרים של גליקוליזה, כגון פרוקטוז-6-פוספט (F6P) וגליצראלדהיד-3-פוספט (GLYAL-3-P), כמו גם תרכובות סוכר פחות נפוצות עם 4,5 ו-7 פחמנים.

נקודות הכניסה המרובות והפלטים המרובים מעניקים לתא גמישות אדירה לענות על צרכיו בכך שהם מאפשרים לו להשתמש במגוון חומרים לייצור כל אחד מהמוצרים הללו.

חמצון #1

החל מ- G6P, PPP עובר את שלב החמצון שלו באופן הבא:

האנזים המזרז את התגובה הוא G6P דהידרוגנאז. זהו השלב המגביל את הקצב של המסלול והאנזים מעוכב הן על ידי NADPH והן על ידי אצטיל-CoA. NADPH חשוב למסלולים אנבוליים, כגון סינתזת חומצות שומן וגם לשמירה על גלוטתיון במצב מופחת. האחרון חשוב בהגנה מפני נזק ממיני חמצן תגובתיים.

מחסור באנזים G6P dehydrogenase אינו נדיר, מה שמוביל לאנמיה המוליטית חריפה, עקב ריכוז NADPH מופחת, ויכולת מופחתת של התא לפרק מיני חמצן תגובתיים עם גלוטתיון. נראה כי לפעילות מופחתת של האנזים יש השפעה מגנה מפני זיהום מלריה, ככל הנראה בגלל השבריריות המוגברת של קרום תאי הדם האדומים, אשר לאחר מכן אינו מסוגל לסבול זיהום על ידי הטפיל. תגובת הידרוליזה #2 היא הידרוליזה והיא מזורזת על ידי

הידרוליזה

תגובה #2 היא הידרוליזה והיא מזורזת על ידי 6-פוספוגלוקונולקטונאז. ה- reac- סוכרוז + UDP UDP- גלוקוז+פרוקטוז G6P + NADP+ 6-פוספוגלוקונו-Δ-לקטון+NADPH ממיר את 6-פוספוגלוקונו- δ-לקטון הליניארי 6- פוספוגלוקונאט (6-PG) כהכנה לחמצון בשלב הבא.

דקרבוקסילציה

תגובה #3 היא הדקרבוקסילציה היחידה ב- PPP והשלב החמצוני האחרון. הוא מזורז על ידי 6-פוספוגלוקונאט דהידרוגנאז.

מוטציות המשבשות את החלבון המיוצר מגן זה משפיעות לרעה על כדוריות הדם האדומות. בשלב זה, השלב החמצוני של PPP הושלם והתגובות הנותרות כוללות סידורים מולקולריים. ל- Ru5P שני גורלות אפשריים וכל אלה מתוארים להלן.

איזומריזציה

תגובה 4a: האנזים המזרז תגובה הפיכה זו הוא Ru5P איזומראז (בראש העמודה הבאה). זה חשוב כי זו הדרך שבה תאים מייצרים R-5-P לסינתזת נוקלאוטידים. ניתן להשתמש ב- R-5-P גם בתגובות PPP אחרות המוצגות במקומות אחרים.

אפימריזציה

תגובה 4b (מזורזת על ידי Ru-5-P epimerase) היא מקור נוסף לסוכרים פנטוז ומספקת מצע חשוב לתגובות הבאות.

תגובות טרנסקטולאז

לתגובות האחרות אין באמת סדר והאם הן מתרחשות או לא תלוי בצרכים הסלולריים. האנזים הראשון, טרנסקטולאז, גמיש מבחינת שילובי המצע/המוצר שלו ומשמש לא רק ב- PPP, אלא גם במחזור הצמחים של קלווין. זה מזרז את שתי התגובות הבאות

בתגובה הראשונה (למעלה), שני סוכרים פוספוריליים של 5 פחמנים כל אחד הופכים לסוכר זרחני אחד של 3 פחמנים ואחד מ-7 פחמנים. בשני (העמוד הבא), פוספט חמישה פחמנים סוכר ו- ARU-5-P קסילולוז-5-פוספט (Xu-5-P) Xu-5-P + R-5-P GLYAL-3-P + סדוהפטולוז-7-פוספט (S-7-P) 6-PG + NADP+ ריבולוז-5-פוספט (Ru-5-P) + NADPH + CO2 6-פוספוגלוקונו-Δ-לקטון + H2O 6-פוספוגוגלוקון-לקטן+ H2O 6-פוספוגלוקון-גלוקון+H2O 6-פוספוגלוקון-גלוקון+H2O 6-פוספוגלוקון-לוקון+H2O 6-פוספוגלוקון-גלוקון+H2O 6-פוספוגלוקון-לוקון+H2O 6-פוספוגלוקון-גלוקון+Hate (6-PG) + H+ Ru-5-P ריבוז-5-פוספט (R-5-P) ארבעה פוספט סוכר פחמן מסודרים מחדש לפוספטים סוכר עם 3 ו -6 פחמנים.

תוצרי ביניים של גליקוליזה

בתגובות הפיכות של מסלול הפנטוז פוספט, ניתן לראות כיצד ניתן בקלות לארגן מחדש את תוצרי הביניים של גליקוליזה ולהפוך אותם לסוכרים אחרים. לפיכך, ניתן להפוך את GLYAL-3-P ו- F6P בקלות לריבוז-5- פוספט לסינתזת נוקלאוטידים.

מעורבות F6P במסלול מאפשרת לתאים להמשיך לייצר נוקלאוטידים (על ידי יצירת R-5-P) או טריפטופן (על ידי יצירת E-4-P) גם אם התגובות החמצוניות של PPP מעוכבות.

התגובה האחרונה מזורזת על ידי האנזים המכונה טרנסלדולאז.

גורם משותף TPP

טרנסקטולאז משתמש בתיאמין פירופוספט (TPP) כדי לזרז תגובות. TPP Thiaאיור 6.49 - תוצרי ביניים של מסלול הפוספט פנטוז Xu-5-P + אריתרוז-4-פוספט (E-4-P) GLYAL-3-P + F6P GLYAL-3-P + S-7-P E-4-P + אטומי החנקן והגופרית של טבעת זול F6P משני צידי הפחמן, מאפשרים לו לתרום פרוטון ולפעול כחומצה, ובכך ליצור קרבניון, שמתייצב על ידי הטטרוולנט הסמוך חנקן (איורים 6.50 & 6.51)).

הקרבניון המיוצב ממלא תפקידים חשובים במנגנון התגובה של אנזימים, כגון טרנסקטולאז המשתמשים ב-TPP כקופקטור. בדרך כלל, הקרבניון פועל כנוקלאופיל התוקף את הפחמן הקרבוניל של המצע. כזה הוא המקרה עם טרנסקטולאז. התקפה על ידי הקרבניון שוברת את הקשר הקרבוניל על המצע ומקשרת אותו באופן קוולנטי לפחמן המיונן של TPP, ובכך מאפשרת לו "לשאת" את קבוצת הקרבוניל למצע השני לצורך התקשרות. בדרך זו, שני פחמנים מועברים מ- Xu-5-P ל- E-4-P ליצירת F6P (מ- E-4-P) ו- GLYAL-3-P (מ- Xu-5-P). באופן דומה, S-7-P ו- GLYAL-3-P מיוצרים מ- R-5-P ו- Xu-5-P, בהתאמה.

תיאמינים

תיאמינים הם סוג של תרכובות המעורבות בקטליזה של חשוב הקשור לנשימה מסלול הפוספט פנטוז מאת קווין אהרן אני צריך פוספט אריתרוז ולא יודע מה לעשות התאים שלי מלאים ב-G-6-P וגם ב-NADP אבל פשוט הגעתי לתוכנית הכי פשוטה שאפשר אני אעביר תגובות דרך הנתיב המכונה PPP בשני חמצון בלבד יש ריבולוז-5p אשר משתנה לעלפים אחרים כל אחד מהם מחובר ל-P השלב הבא זה פשוט ראוי לשבחים פחמימנים פנטוז מתערבבים ומתאימים הודות ל-transketolase Glyceraldehydehy's מוצר גם Sedoheptulose כל אחד עם פוספט נגרר אבל אנחנו לא ממש גמרנו עכשיו שלוש ועוד שבע זהה להוספת שישה וארבעה על ידי החלפת פחמנים הלוך ושוב יש אריתרוז-P ועוד סוף סוף יש לי את הדבר שאני צריך ממקומות מסחר בפחמנים אני שמח שהתאים שלי מלאים בכמה טרנסלדולזות איור 6.50 - תגובות תיאמין פירופוספט במחזור חומצת הלימון, חילוף החומרים של פירובט, הפנטוז מסלול פוספט ומחזור קלווין. תיאמין היה הוויטמין המסיס במים הראשון (B1) שהתגלה באמצעות קשר למחלת מערכת העצבים ההיקפית המכונה בריברי. תיאמין פירופוספט (TPP) הוא קופקטור אנזים המצוי בכל המערכות החיות שמקורן בתיאמין על ידי פעולת האנזים תיאמין דיפוספוקינאז. TPP מקל על קטליזה של מספר תגובות ביוכימיות החיוניות לנשימה של רקמות.

מחסור בוויטמין נדיר כיום, אם כי אנשים הסובלים ממחלת קרוהן, אנורקסיה, אלכוהוליזם או עוברים דיאליזה בכליות עלולים לפתח ליקויים. TPP נדרש לדקרבוקסילציה חמצונית של פירובט ליצירת אצטיל-CoA ותגובות דומות. טרנסקטולאז, אנזים חשוב במסלול הפוספט הפנטוז, משתמש בו גם כקואנזים. מלבד תגובות אלו, TPP נדרש גם לדקרבוקסילציה חמצונית של חומצות α-קטו כמו α-ketoglutarate וחומצות α-keto מסועפות הנובעות ממטבוליזם של ואלין, איזולאוצין ולאוצין. איור 6.51 - מנגנון הפעולה של תיאמין פירופוספט (TPP) - 1) היווצרות קרבניון; 2) התקפה נוקלאופילית; 3) התקשרות קוולנטית של קרבוניל; 4) העברה לקבוצה שנייה; 5) שחרור מוצר והתחדשות TPP

TPP פועל במתחם פירובאט דהידרוגנאז כדי לסייע בדקרבוקסילציה של פירובט ו"נשיאת "מולקולת האצטאלדהיד המופעלת להתקשרות שלה (ולחמצון שלאחר מכן) לליפואמיד. מרכזית בתפקוד TPP היא טבעת התיאזוליום, המייצבת תוצרי ביניים של קרבניון (באמצעות תהודה) על ידי פעולה ככיור אלקטרונים (איור 6.51). פעולה כזו מקלה על שבירת קשרי פחמן-פחמן כגון מתרחשת במהלך דה-קרבוקסילציה של פירובט לייצור האצטאלדהיד המופעל.

מחסור בתיאמין

תיאמין הוא חלק בלתי נפרד מהנשימה ונחוץ בכל תא. מחסור חריף בתיאמין מוביל לבעיות רבות - המצב הידוע ביותר הוא beriberi, שתסמיניו כוללים ירידה במשקל, חולשה, נפיחות, בעיות נוירולוגיות וקצב לב לא סדיר. איור 6.52 - מחזור קלווין - לשלב הרסינתזה יש מספר שלבים והוא מתואר להלן. תמונה על ידי אליה קים

הגורמים למחסור כוללים תזונה לקויה, צריכה משמעותית של מזונות המכילים את האנזים המכונה תיאמינאז, מזונות עם תרכובות המתנגדות לפעולת תיאמין (תה, קפה) ומחלות כרוניות, כולל סוכרת, מחלות במערכת העיכול, הקאות מתמשכות. אנשים הסובלים מאלכוהוליזם חמור לעיתים קרובות לוקים בתאמין.

מחזור קלווין

מחזור קלווין (איור 6.52) הוא מסלול מטבולי המתרחש אך ורק באורגניזמים פוטוסינתטיים. המכונה בדרך כלל "המחזור האפל" או המחזור הבלתי תלוי באור, מחזור קלווין אינו מתרחש למעשה בחושך. התא/כלורופלסט פשוט אינו משתמש ישירות באנרגיית אור כדי להניע אותו.

התבוללות

במחזור הפוטוסינתזה של קלווין נלקח פחמן דו חמצני מהאטמוספירה ובסופו של דבר מובנה בגלוקוז (או סוכרים אחרים). תגובות של מחזור קלווין מתרחשות באזורים של הכלורופלסט המכונה סטרומה, אזורי הנוזלים מחוץ לממברנות התילקואיד. ניתן לחלק את המחזור לשלושה שלבים

1) הטמעה של CO2

2) תגובות הפחתה

3) התחדשות של חומר המוצא, ריבולוז 1,5 ביספוספט (ru1,5bP).

למרות שהפחתת פחמן דו חמצני לגלוקוז דורשת בסופו של דבר אלקטרונים משנים עשר מולקולות של NADPH (ו-18 ATP), זה מבלבל מכיוון שהפחתה אחת מתרחשת 12 פעמים (1,3 BPG ל- GLYAL-3P) כדי להזין את ההפחתה הכוללת הדרושה לייצור גלוקוז אחד.

פחמן דו חמצני

סיבה נוספת שהתלמידים מוצאים את המסלול מבלבל היא מכיוון שמולקולות הפחמן הדו חמצני נספגות אחת בכל פעם לשש מולקולות שונות של Ru1,5bp. בשום שלב ששת הפחמנים לא ביחד באותה מולקולה יוצרים גלוקוז בודד.

במקום זאת, שש מולקולות של Ru1,5bp (30 פחמנים) צוברות עוד שישה פחמנים באמצעות פחמן דו חמצני ולאחר מכן מתפצלות ל-12 מולקולות של 3- פוספוגליצרט (36 פחמנים). הרווח של שישה פחמנים מאפשר לייצר שתי שלוש מולקולות פחמן עודפות לכל סיבוב במחזור. שתי מולקולות מולקולות אלה הופכות לאחר מכן לגלוקוז באמצעות אנזימים של גלוקונאוגנזה. עשר המולקולות האחרות של 3-PG משמשות לחידוש שש המולקולות של Ru1,5bp. איור 6.53 - רוביסקו, האנזים הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ

מסלול מחזורי

בדומה למחזור חומצת הלימון, למחזור קלווין אין באמת נקודת התחלה או סיום, אך האם אנו יכולים לחשוב על התגובה הראשונה כקיבוע של פחמן דו חמצני ל- Ru1,5bp. תגובה זו מזורזת על ידי האנזים המכונה ריבולוז-1,5 ביספוספט קרבוקסילאז (RUBISCO - איור 6.53). תוצר הביניים של שישה פחמן המתקבל אינו יציב ומומר במהירות לשתי מולקולות של 3- פוספוגליצרט.

כפי שצוין, אם מתחילים עם 6 מולקולות של Ru1,5bp ומייצרים 12 מולקולות של 3-PG, ניתן להסיר את 6 הפחמנים הנוספים המהווים חלק מהמחזור כשתי מולקולות שלוש פחמנים של גליצראלדהיד-3-פוספט (GLYAL3P) לגלוקונאוגנזה, ולהשאיר מאחור 10 מולקולות להמרה מחדש ל-6 מולאיור 6.54 - שלב סינתזה מחדש של מחזור קלווין - כל הנתיבים מובילים להתחדשות Ru1,5bp, שהיא מטרת שלב הרסינתזה. תוצרי ביניים של גליקוליזה/גלוקונאוגנזה המוצגים בכחול. מספרי אנזים מוסברים בטקסט. קולות של ru1,5bp. זה מתרחש במה שמכונה שלב הרסינתזה.

שלב רסינתזה

שלב הרסינתזה (איור 6.54) דורש שלבים מרובים, אך משתמש רק בשני אנזימים ייחודיים לצמחים - sedoheptulose-1,7 ביספוספטאז ופוספוריבולוקינאז. RUBISCO הוא האנזים השלישי (והיחיד האחר) של המסלול הייחודי לצמחים.

כל שאר האנזימים של המסלול משותפים לצמחים ובעלי חיים וכוללים כמה שנמצאים במסלול הפנטוז פוספט ובגלוקונאוגנזה. אנזימים המוצגים כמספרים באיור 6.54 הם כדלקמן (אנזימים ייחודיים לצמחים בירוק):

1 - פוספוגליצרט קינאז

2 - G3PDH

3 - איזומראז טריוזפוספט

4 - אלדולאז

5 - פרוקטוז 1,6 ביספוספטאז

6 - טרנסקטולאז

7 - פוספופנטוז אפימראז

8 - פוספוריבולוקינאז

9 - סדוהפטולוז 1,7 ביספוספטאז

10 - איזומראז פוספופנטוז

תגובות

שלב הסינתזה מחדש מתחיל בהמרה של מולקולות 3-PG ל- GLYAL3P (יש למעשה 10 מולקולות GLYAL3P המעורבות בסינתזה מחדש, כפי שצוין לעיל, אך אנו משמיטים מספרים כדי לנסות לעזור לתלמידים לראות את התמונה הגדולה יותר. די לומר שיש כמויות מספיקות של כל המולקולות כדי להשלים את התגובות המתוארות). חלק מ- GLYAL3P מומר ל- DHAP על ידי איזומראז פוספט טריוז. חלק מה-DHAPs מומרים (באמצעות גלוקונאוגנזה) ל-F6P (פוספט אחד הולך לאיבוד עבור כל F6P).

שני פחמנים מ-F6P ניתנים ל-GLYAL3P ליצירת E-4P ו-Xu-5P (היפוך תגובת PPP). E- 4P משלב עם DHAP ליצירת סדוהפטולוז-1,7 ביספוספט (S1,7BP). הפוספט במיקום #1 הוא איור 6.55 - שימוש ב-CO2 (מחזור קלווין) לעומת O2 (פוטורספירציה) מאת RUBISCO. תמונה מאת פהר ג'ייקובסון מבוקעת על ידי סדוהפטולוז-1,7 ביספוספטאז כדי להניב S-7-P. טרנסקטולאז (אנזים PPP נוסף) מזרז העברה לשני פחמנים מ-S-7-P ל-GLYAL3P כדי להניב Xu-5P ו-R5P.

איזומראז פוספופנטוז מזרז המרה של R5P ל- Ru5P ואפימרז פוספופנטוז ממיר באופן דומה Xu-5P ל- Ru5P. לבסוף, פוספוריבולוקינאז מעביר פוספט ל-Ru5P (מ-ATP) כדי להניב Ru1,5bp.

פוטורספירציה

במחזור הפוטוסינתזה של קלווין, האנזים ריבולוז-1,5-ביספוספט קרבוקסילאז (RUBISCO) מזרז את הוספת הפחמן הדו חמצני לריבולוז-1,5- ביספוספט (Ru1,5bP) ליצירת שתי מולקולות של 3-פוספוגליצרט. חמצן מולקולרי (O2), לעומת זאת, מתחרה עם CO2 על האנזים הזה, כך שכ -25% מהזמן, המולקולה שמתווספת אינה CO2, אלא O2 (איור 6.55). כאשר זה קורה, התגובה הבאה מתרחשת

זהו השלב הראשון בתהליך המכונה photorespiration. תהליך הפוטו-נשימה אינו יעיל ביחס לקרבוקסילציה של Ru1,5bp. פוספוגליקולאט הופך לגליוקסילט בגליוקסיזום ולאחר מכן טרנסמינציה של זה מניבה גליצין. שני גליצינים יכולים להשתלב במערך משולב מסובך של תגובות במיטוכונדריון המוצג בהמשך. איור 6.56 - תירס - צמח C4 Ru1,5bp + O2 פוספוגליקולט+3-פוספוגליצרט+2H+ 2 גליצין + NAD+H2O סרין + CO2 + NH3+NH3+NADH + H+

דימינציה והפחתה של סרין מניבים פירובט, אשר לאחר מכן ניתן להמיר בחזרה ל3-פוספוגליצרט. נקודת הסיום של החמצון של Ru1,5bp זהה לקרבוקסילציה של תגובות Ru1,5bp, אך ישנן עלויות אנרגיה משמעותיות הקשורות אליו, מה שהופך את התהליך ליעיל פחות.

C4 צמחים

מחזור קלווין הוא האמצעי שבו צמחים מטמיעים פחמן דו חמצני מהאטמוספירה, בסופו של דבר לגלוקוז. צמחים משתמשים בשתי אסטרטגיות כלליות לשם כך. הראשון מועסק על ידי צמחים הנקראים צמחי C3 (רוב הצמחים) והוא פשוט כולל את המסלול שתואר לעיל. הם נקראים צמחי C3 מכיוון שהביניים היציב הראשון לאחר ספיגת פחמן דו חמצני מכיל שלושה פחמנים - 3-פוספוגליצרט. סוג אחר של צמחים, הנקרא C4 צמחים (איור 6.56) משתמש באסטרטגיה חדשה לריכוז איור 6.57 - הטמעת CO2 על ידי צמחי C4 תמונה מאת Aleia Kim CO2 לפני הטמעה. צמחי C4 נמצאים בדרך כלל בסביבות חמות ויבשות שבהן התנאים היו מעדיפים אחרת את תגובות הפוטו-נשימה הבזבזניות של RUBISCO ואובדן מים.

לכידה על ידי PEP

ב-C4 צמחים, פחמן דו חמצני נלכד בתאי מזופיל מיוחדים תחילה על ידי phosphoenolpyruvate (PEP) ליצירת אוקסלואצטט (מכיל ארבעה פחמנים ונותן לצמחי C4 את שמם - איור 6.57). האוקסלואצטט מומר למלט ומועבר לתאי מעטפת צרורים שבהם הפחמן הדו חמצני משתחרר ונלכד על ידי Ru1,5bp, כמו בצמחי C3. מחזור קלווין ממשיך משם. היתרון של ערכת הצמחים C4 הוא בכך שהיא מאפשרת ריכוז של פחמן דו חמצני תוך מזעור אובדן מים ופוטורספירציה.

סינתזת פפטידוגליקן

קירות תאים חיידקיים מכילים שכבת הגנה המכונה שכבת הפפטידוגליקן. הרכבה של השכבה מתחילה בציטופלסמה.

השלבים בתהליך הבאים

1. תרומת אמין מגלוטמין לפרוקטוז-6-פוספט ואיזומריזציה לייצור גלוקוזאמין-6- פוספט.

2. תרומה של קבוצת אצטיל מאצטיל-CoA לייצור N-acetylglucosamine-6- פוספט

3. איזומריזציה של N-acetylglucosamine-6- פוספט מייצר N-acetylglucosamine-1- פוספט איור 6.58 - שכבת פפטידוגליקן בדופן תא חיצונית חיידקית ויקיפדיה

4. UTP משלב עם N-acetylglucosamine-1-פוספט לייצור UDP-N-אצטיל-גלוקוזאמין-1- פוספט

5. תוספת של PEP ואלקטרונים מ-NADPH מניבה חומצה UDP-nacetylmuramic

6. שרשרת פנטפפטיד או טטרפפטיד מחוברת לחומצה UDP-nacetylmuramic. הרצף משתנה מעט בין המינים, אך בדרך כלל הוא L-Ala - D-Glu - L-Lys - dAla - D-Ala

7. פוספט דוליצ'ול מחליף את UMP על החומצה UDP-N-אצטילמורמית פנטפפטיד.

8. UDP-N-אצטיל-גלוקוזאמין תורם גלוקוז לחלק החומצה הנאצטילמורמית של החומצה הדוליכול-PP-N-אצטילמורמית acidpentapeptide

9. שרשרת פנטפפטיד של גליצינים (פנטגליצין) מקושרת לליצין של שרשרת הפנטפפטיד ליצירת חומצה דוליכול-PP-נסטילמורמית נ-אצטילגלוקוזאמין-דקפפטיד. הפנטליצין משמש כקישורים צולבים במבנה הכללי.

10. דוליצ'ול-PP מוסר כדי להניב חומצה נסטילמורמית נ-אצטילגלוקוזאמיןדקפפטיד איור 6.60 - פעילות קטליטית של ddtranspeptidase ויקיפדיה איור 6.59 - פניצילין

11. קבוצה אחרונה זו מתווספת לרשת הפפטידוגליקן ההולכת וגדלה על ידי חיבור המחומש של שרשרת אחת לטטרפפטיד/פנטפפטיד של אחרת.

האנזים המזרז את הוספת החומצה N-acetylmuramic N-acetylglucosaminedecapeptide לרשת בשלב האחרון הוא DD-transpeptidase. זהו האנזים הסלולרי הממוקד על ידי פניצילין ונגזרותיו. אחת הסיבות שפניצילין כל כך יעיל היא מכיוון שסינתזה של דופן תא פפטידוגליקן לחיידק בודד דורשת מיליוני מחזורי תגובות לעיל. אפילו להאטת התהליך יכולה להיות השפעה רבה על צמיחת החיידקים. מצד שני, ההתנגדות לפניצילין ונגזרות נובעת כתוצאה ממוטציות באנזים אחד - הטרנספפטידאז.

מטבולונים

בשלב זה, ראוי להעלות את הרעיון של metabolons. מטבולונים הם קומפלקסים תאיים המכילים אנזימים מרובים של מסלול מטבולי שנראים מסודרים כך שהתוצר של תגובה אנזימטית אחת מועבר ישירות כמצע לאנזים המזרז את התגובה הבאה במסלול המטבולי. המתחמים המבניים הם זמניים ומוחזקים יחד על ידי כוחות לא קוולנטיים.

נראה כי מטבולונים מציעים יתרונות של הפחתת כמות המים הדרושה לחות אנזימים. פעילות האנזימים במתחם גדלה. רוב המסלולים המטבוליים הבסיסיים נחשבים כמשתמשים במטבולונים. הם כוללים גליקוליזה, מחזור חומצת לימון, מטבוליזם של נוקלאוטידים, סינתזת גליקוגן, סינתזת סטרואידים, סינתזת DNA, סינתזת RNA, מחזור האוריאה ותהליך הובלת האלקטרונים.

היפוקסיה

היפוקסיה מתרחשת כאשר לגוף או לאזור בו אין אספקת חמצן מספקת. Varia- איור 6.61 - גורמים הניתנים להשראת היפוקסיה בריכוזי חמצן עורקי בפיזיולוגיה תקינה עלולים להוביל להיפוקסיה, למשל, במהלך אימון היפוונטילציה או פעילות גופנית מאומצת. היפוקסיה כללית עשויה להופיע אצל אנשים בריאים כאשר הם נמצאים בגובה רב. תאים סרטניים, שעשויים לעבור נשימה מהירה יותר מהרקמות שמסביב עשויים גם הם להיות היפוקסיים. היפוקסיה היא שיקול חשוב למטבוליזם הסוכר בשל יכולתם של התאים לשנות את חילוף החומרים של הסוכר שלהם (תסיסה) כאשר תנאים אלה קיימים.

תגובת הגוף להיפוקסיה היא לייצר גורמים מעוררי היפוקסיה (HIFs), שהם גורמי שעתוק המעוררים ביטוי של גנים כדי לעזור לתאים להסתגל לתנאים ההיפוקסיים. רבים מהגנים המופעלים על ידי HIFs הם אנזימים של גליקוליזה ו- GLUTs (חלבוני הובלת גלוקוז). השילוב של מוצרי גנים אלה מאפשר לתאים 1) לייבא יותר גלוקוז ו 2) לחילוף חומרים במהירות רבה יותר כאשר הוא מגיע. זה צפוי מכיוון שחילוף החומרים של הסוכר האנאירובי יעיל רק בכ -1/15 כמו חילוף החומרים האירובי. כתוצאה מכך, זה דורש הרבה יותר מטבוליזם של סוכר כדי לשמור על תאי הסרטן בחיים. חלבון שהתגלה לאחרונה בשם ציטוגלובין אמור לסייע בהיפוקסיה על ידי הקלת העברת חמצן מהעורקים למוח.

שינוי קוולנטי

HIFs מוסדרים בחלקם על ידי שינוי קוולנטי מעניין. כאשר ריכוז החמצן גבוה, האנזים פרוליל הידרוקסילאז ידרוקסילט שאריות פרולין ב- HIFs. זה מגרה את מערכת פירוק החלבון (פרוטאזום) להשפיל אותם. כאשר ריכוז החמצן נמוך, ההידרוקסילציה מתרחשת במידה נמוכה בהרבה (או אינה מתרחשת כלל), ומפחיתה את הפירוק של HIFs ומאפשרת להם להפעיל גנים. באופן זה, ריכוז ה- HIFs נשמר גבוה בריכוז חמצן נמוך (להפעלת גנים HIF) ונמוך בריכוזי חמצן גבוהים (כדי לעצור סינתזה של גנים HIF).