Skip to main content
Global

7.7: ויסות הנשימה התאית

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    205693

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מיומנויות לפיתוח

    • תאר כיצד עיכוב משוב ישפיע על ייצור תוצר ביניים או מוצר במסלול
    • זהה את המנגנון השולט בקצב הובלת האלקטרונים דרך שרשרת הובלת האלקטרונים

    יש לווסת את הנשימה התאית על מנת לספק כמויות אנרגיה מאוזנות בצורה של ATP. התא חייב גם ליצור מספר תרכובות ביניים המשמשות באנבוליזם ובקטבוליזם של מקרומולקולות. ללא בקרות, תגובות מטבוליות היו עומדות במהירות כאשר התגובות קדימה ואחורה הגיעו למצב של שיווי משקל. משאבים ישמשו בצורה לא הולמת. תא אינו זקוק לכמות ה-ATP המקסימלית שהוא יכול לייצר כל הזמן: לפעמים, התא צריך להזיז חלק מתוצרי הביניים למסלולים לייצור חומצות אמינו, חלבון, גליקוגן, שומנים וחומצות גרעין. בקיצור, התא צריך לשלוט על חילוף החומרים שלו.

    מנגנונים רגולטוריים

    מגוון מנגנונים משמש לשליטה על הנשימה התאית. סוג כלשהו של שליטה קיים בכל שלב של חילוף החומרים של הגלוקוז. ניתן לווסת את הגישה של גלוקוז לתא באמצעות חלבוני GLUT המעבירים גלוקוז (איור\(\PageIndex{1}\)). צורות שונות של חלבון GLUT שולטות במעבר הגלוקוז לתאי הרקמות הספציפיות.

    כאשר אינסולין בזרם הדם קושר את קולטן האינסולין בקרום הפלזמה של תא מטרה, שלפוחית המכילה את טרנספורטר הגלוקוז Glut-4 מתמזגת עם קרום הפלזמה. Glut-4 הוא טרנספורטר המאפשר גלוקוז להיכנס לתא.
    איור\(\PageIndex{1}\): GLUT4 הוא טרנספורטר גלוקוז המאוחסן בשלפוחיות. מפל אירועים המתרחש עם קישור אינסולין לקולטן בקרום הפלזמה גורם לשלפוחיות המכילות GLUT4 להתמזג עם קרום הפלזמה כך שגלוקוז עשוי להיות מועבר לתא.

    חלק מהתגובות נשלטות על ידי שני אנזימים שונים - אחד כל אחד לשני הכיוונים של תגובה הפיכה. תגובות המזרזות על ידי אנזים אחד בלבד יכולות להגיע לשיווי משקל, ולעצור את התגובה. לעומת זאת, אם שני אנזימים שונים (כל אחד ספציפי לכיוון נתון) נחוצים לתגובה הפיכה, ההזדמנות לשלוט בקצב התגובה עולה, ולא מגיעים לשיווי משקל.

    מספר אנזימים המעורבים בכל אחד מהמסלולים - בפרט האנזים המזרז את התגובה המחויבת הראשונה של המסלול - נשלטים על ידי התקשרות של מולקולה לאתר אלוסטרי על החלבון. המולקולות הנפוצות ביותר ביכולת זו הן הנוקלאוטידים ATP, ADP, AMP, NAD + ו-NADH. רגולטורים אלה, אפקטורים אלוסטריים, עשויים להגביר או להקטין את פעילות האנזים, בהתאם לתנאים השוררים. האפקטור האלוסטרי משנה את המבנה הסטרי של האנזים, בדרך כלל משפיע על תצורת האתר הפעיל. שינוי זה במבנה החלבון (האנזים) מגביר או מקטין את הזיקה שלו למצע שלו, עם השפעה של הגדלה או הקטנה של קצב התגובה. ההתקשרות מאותתת לאנזים. קישור זה יכול להגדיל או להקטין את פעילות האנזים, ולספק משוב. סוג משוב זה של בקרה יעיל כל עוד הכימיקל המשפיע עליו מחובר לאנזים. ברגע שהריכוז הכולל של הכימיקל יורד, הוא יתפזר הרחק מהחלבון, והשליטה נינוחה.

    שליטה במסלולים קטבוליים

    אנזימים, חלבונים, נשאי אלקטרונים ומשאבות הממלאים תפקידים בגליקוליזה, מחזור חומצת הלימון ושרשרת הובלת האלקטרונים נוטים לזרז תגובות לא הפיכות. במילים אחרות, אם התגובה הראשונית מתרחשת, המסלול מחויב להמשיך בתגובות הנותרות. האם פעילות אנזים מסוימת משתחררת תלויה בצרכי האנרגיה של התא (כפי שמשתקף ברמות ה- ATP, ADP ו- AMP).

    גליקוליזה

    השליטה בגליקוליזה מתחילה באנזים הראשון במסלול, הקסוקינאז (איור). \(\PageIndex{2}\) אנזים זה מזרז את זרחון הגלוקוז, מה שעוזר להכין את התרכובת למחשוף בשלב מאוחר יותר. נוכחותו של הפוספט הטעון שלילי במולקולה מונעת גם מהסוכר לצאת מהתא. כאשר הקסוקינאז מעוכב, הגלוקוז מתפזר אל מחוץ לתא ואינו הופך למצע למסלולי הנשימה ברקמה זו. התוצר של תגובת ההקסוקינאז הוא גלוקוז-6-פוספט, המצטבר כאשר מעכבים אנזים מאוחר יותר, פוספרוקטוקינאז.

    איור זה מראה כי הגליקוליזה מווסתת באמצעות שלושה אנזימים מרכזיים: הקסוקינאז פוספרוקטוקינאז ופוספוגליצרט קינאז. שני האנזימים הראשונים מבצעים הידרוליזה של ATP והשלישי מייצר ATP.
    איור\(\PageIndex{2}\): מסלול הגליקוליזה מוסדר בעיקר בשלושת השלבים האנזימטיים המרכזיים (1, 2 ו-7) כפי שצוין. שים לב ששני השלבים הראשונים המווסתים מתרחשים בשלב מוקדם של המסלול וכוללים הידרוליזה של ATP.

    פוספופרוקטוקינאז הוא האנזים העיקרי הנשלט בגליקוליזה. רמות גבוהות של ATP, ציטראט או pH נמוך וחומצי יותר מפחיתות את פעילות האנזים. עלייה בריכוז ציטראט יכולה להתרחש בגלל חסימה במחזור חומצת לימון. תסיסה, עם ייצור חומצות אורגניות כמו חומצה לקטית, מהווה לעתים קרובות את החומציות המוגברת בתא; עם זאת, תוצרי התסיסה אינם מצטברים בדרך כלל בתאים.

    השלב האחרון בגליקוליזה מזורז על ידי פירובאט קינאז. הפירובט המיוצר יכול להמשיך להיות קטבולי או להמיר לחומצת האמינו אלנין. אם אין צורך באנרגיה נוספת ואלנין נמצא באספקה מספקת, האנזים מעוכב. פעילות האנזים מוגברת כאשר רמות הפרוקטוז-1,6-ביספוספט עולות. (נזכיר כי פרוקטוז-1,6-ביספוספט הוא תוצר ביניים במחצית הראשונה של הגליקוליזה.) ויסות פירובאט קינאז כרוך בזרחן על ידי קינאז (פירובאט קינאז קינאז), וכתוצאה מכך אנזים פחות פעיל. דה-פוספורילציה על ידי פוספטאז מפעילה אותו מחדש. פירובט קינאז מוסדר גם על ידי ATP (אפקט אלוסטרי שלילי).

    אם יש צורך באנרגיה רבה יותר, יותר פירובט יומר לאצטיל CoA באמצעות פעולת פירובאט דהידרוגנאז. אם מצטברות קבוצות אצטיל או NADH, יש פחות צורך בתגובה והקצב יורד. פירובט דהידרוגנאז מווסת גם על ידי זרחון: קינאז מזרחן אותו ליצירת אנזים לא פעיל, ופוספטאז מפעיל אותו מחדש. הקינאז והפוספטאז מוסדרים גם הם.

    מחזור חומצת לימון

    מחזור חומצת הלימון נשלט באמצעות האנזימים המזרזים את התגובות היוצרות את שתי המולקולות הראשונות של NADH. אנזימים אלה הם איזוציטראט דהידרוגנאז ו α -קטוגלוטרט דהידרוגנאז. כאשר קיימות רמות ATP ו-NADH נאותות, שיעורי התגובות הללו יורדים. כאשר יש צורך ביותר ATP, כפי שבא לידי ביטוי בעלייה ברמות ADP, הקצב עולה. α -Ketoglutarate dehydrogenase יושפע גם מרמות ה- succinyl CoA - תוצר ביניים עוקב במחזור - ויגרום לירידה בפעילות. ירידה בקצב הפעולה של המסלול בשלב זה אינה בהכרח שלילית, שכן הרמות המוגברות של α -ketoglutarate שאינן בשימוש במחזור חומצת הלימון יכולות לשמש את התא לסינתזה של חומצות אמינו (גלוטמט).

    שרשרת הובלת אלקטרונים

    אנזימים ספציפיים של שרשרת הובלת האלקטרונים אינם מושפעים מעיכוב משוב, אך קצב הובלת האלקטרונים דרך המסלול מושפע מרמות ADP ו- ATP. צריכת ATP גדולה יותר על ידי תא מסומנת על ידי הצטברות ADP. ככל שהשימוש ב-ATP יורד, ריכוז ה-ADP יורד, ועכשיו, ATP מתחיל להצטבר בתא. שינוי זה הוא הריכוז היחסי של ADP ל-ATP מפעיל את התא להאט את שרשרת הובלת האלקטרונים.

    קישור ללמידה

    בקר באתר זה כדי לראות אנימציה של שרשרת הובלת האלקטרונים וסינתזת ATP.

    לסיכום של בקרות משוב בנשימה תאית, ראה טבלה\(\PageIndex{1}\).

    טבלה\(\PageIndex{1}\): בקרות משוב בנשימה סלולרית.
    מסלול אנזים מושפע רמות גבוהות של אפקטור השפעה על פעילות המסלול
    גליקוליזה הקסוקינאז גלוקוז-6-פוספט ירידה
      פוספופרוקטוקינאז מטען בעל אנרגיה נמוכה (ATP, AMP), פרוקטוז-6-פוספט באמצעות פרוקטוז-2,6-ביספוספט להגביר
        מטען באנרגיה גבוהה (ATP, AMP), ציטראט, pH חומצי ירידה
      פירובאט קינאז פרוקטוז-1,6-ביספוספט להגביר
        מטען באנרגיה גבוהה (ATP, AMP), אלנין ירידה
    המרת פירובט לאצטיל CoA פירובט דהידרוגנאז ADP, פירובט להגביר
        אצטיל CoA, ATP, NADH ירידה
    מחזור חומצת לימון איזוציטראט דהידרוגנאז ADP להגביר
        ATP, נאד ירידה
      α -קטוגלוטרט דהידרוגנאז יוני סידן, ADP להגביר
        ATP, NADH, סוצ'יניל CoA ירידה
    שרשרת הובלת אלקטרונים   ADP להגביר
        ATP ירידה

    סיכום

    הנשימה הסלולרית נשלטת על ידי מגוון אמצעים. כניסת הגלוקוז לתא נשלטת על ידי חלבוני ההובלה המסייעים למעבר גלוקוז דרך קרום התא. רוב השליטה בתהליכי הנשימה מתבצעת באמצעות שליטה באנזימים ספציפיים במסלולים. זהו סוג של משוב שלילי, כיבוי האנזימים. האנזימים מגיבים לרוב לרמות הנוקלאוזידים הזמינים ATP, ADP, AMP, NAD + ו- FAD. תוצרי ביניים אחרים של המסלול משפיעים גם על אנזימים מסוימים במערכות.

    רשימת מילים

    חלבון גלוט
    חלבון ממברנה אינטגרלי המעביר גלוקוז