8.5: קטבוליזם של ליפידים וחלבונים

מטרות למידה

• תאר כיצד שומנים מתפרקים
• תאר כיצד ניתן להשתמש בקטבוליזם של שומנים לזיהוי חיידקים
• תאר כיצד חלבונים מתפרקים
• תאר כיצד ניתן להשתמש בקטבוליזם של חלבון לזיהוי חיידקים

חלקים קודמים דנו בקטבוליזם של גלוקוז, המספק אנרגיה לתאים חיים, כמו גם כיצד פוליסכרידים כמו גליקוגן, עמילן ותאית מתפרקים למונומרים של גלוקוז. אבל חיידקים צורכים יותר מסתם פחמימות למזון. למעשה, העולם המיקרוביאלי ידוע ביכולתו לבזות מגוון רחב של מולקולות, הן טבעיות והן אלו המיוצרות על ידי תהליכים אנושיים, לשימוש כמקורות פחמן. בחלק זה, נראה כי המסלולים לקטבוליזם של שומנים וחלבונים מתחברים לאלה המשמשים לקטבוליזם של פחמימות, ובסופו של דבר מובילים לגליקוליזה, לתגובת המעבר ולמסלולי מחזור קרבס. יש לראות במסלולים מטבוליים נקבוביים - כלומר חומרים נכנסים ממסלולים אחרים, וחומרי ביניים יוצאים למסלולים אחרים. מסלולים אלה אינם מערכות סגורות. רבים מהמצעים, תוצרי הביניים והמוצרים במסלול מסוים הם מגיבים במסלולים אחרים.

קטבוליזם של שומנים

טריגליצרידים הם סוג של אחסון אנרגיה לטווח ארוך בבעלי חיים. הם עשויים גליצרול ושלוש חומצות שומן (ראה איור 7.3.1). פוספוליפידים מרכיבים את קרום התא והאברון של כל האורגניזמים למעט הארכאה. מבנה הפוספוליפידים דומה לטריגליצרידים פרט לכך שאחת מחומצות השומן מוחלפת בקבוצת ראש זרחנית (ראה איור 7.3.2). טריגליצרידים ופוספוליפידים מתפרקים תחילה על ידי שחרור שרשראות חומצות שומן (ו/או קבוצת הראש הפוספורילציה, במקרה של פוספוליפידים) מעמוד השדרה של גליצרול בעל שלושה פחמנים. התגובות המפרקות טריגליצרידים מזורזות על ידי ליפאזות ואלו הכרוכות בפוספוליפידים מזורזות על ידי פוספוליפאזים. אנזימים אלה תורמים לארסיות של חיידקים מסוימים, כמו החיידק Staphylococcus aureus והפטרייה Cryptococcus neoformans. חיידקים אלה משתמשים בפוספוליפאזים כדי להשמיד שומנים ופוספוליפידים בתאי המארח ולאחר מכן משתמשים במוצרים הקטבוליים לאנרגיה (ראה גורמי ארסיות של פתוגנים חיידקיים ונגיפיים).

התוצרים המתקבלים של קטבוליזם שומנים, גליצרול וחומצות שומן, יכולים להתפרק עוד יותר. ניתן לזרחן גליצרול -3-פוספט ולהמיר בקלות לגליצראלדהיד 3-פוספט, הממשיך באמצעות גליקוליזה. חומצות השומן המשוחררות מתמוטטות בתהליך הנקרא חמצון β, אשר מסיר ברצף קבוצות אצטיל דו-פחמניות מקצות שרשראות חומצות השומן, ומפחית את NAD ⁺ ו- FAD לייצור NADH ו- FADH ₂, בהתאמה, שניתן להשתמש באלקטרונים שלהם לייצור ATP על ידי זרחון חמצוני. קבוצות האצטיל המיוצרות במהלך חמצון β מועברות על ידי קואנזים A למחזור קרבס, ותנועתן דרך מחזור זה גורמת להתפרקותן ל- CO ₂, ומייצרת ATP על ידי זרחון ברמת המצע ומולקולות NADH ו- FADH ₂ נוספות (ראה נספח ג להמחשה מפורטת של חמצון β).

סוגים אחרים של שומנים יכולים להתפרק גם על ידי חיידקים מסוימים. לדוגמה, היכולת של פתוגנים מסוימים, כמו שחפת Mycobacterium, להשפיל את הכולסטרול תורמת לארסיותם. ניתן להסיר בקלות את שרשראות הצד של הכולסטרול באופן אנזימטי, אך השפלה של הטבעות המתמזגות הנותרות בעייתית יותר. ארבע הטבעות המתמזגות נשברות ברצף בתהליך רב-שלבי שמקל על אנזימים ספציפיים, והתוצרים המתקבלים, כולל פירובט, ניתנים לפירוק נוסף במחזור קרבס.

תרגיל \(\PageIndex{1}\)

כיצד ליפאזים ופוספוליפאזים יכולים לתרום לארסיות בחיידקים?

קטבוליזם של חלבון

חלבונים מתפרקים באמצעות פעולה מתואמת של מגוון אנזימי פרוטאז מיקרוביאליים. פרוטאזות חוץ-תאיות חותכות חלבונים באופן פנימי ברצפי חומצות אמינו ספציפיות, ומפרקות אותם לפפטידים קטנים יותר שיכולים להיקלט על ידי תאים. ניתן לזהות כמה פתוגנים חשובים מבחינה קלינית על ידי יכולתם לייצר סוג מסוים של פרוטאז חוץ תאי. לדוגמה, ניתן להשתמש בייצור הפרוטאז ג'לטינאז החוץ תאי על ידי בני הסוג פרוטאוס וסראטיה כדי להבדיל אותם מחיידקים אנטריים גרם שליליים אחרים. לאחר חיסון וצמיחה של חיידקים במרק ג'לטין, פירוק חלבון הג'לטין עקב ייצור ג'לטינאז מונע התמצקות של ג'לטין בקירור. ניתן להבחין בין פתוגנים אחרים ביכולתם להשפיל קזאין, החלבון העיקרי המצוי בחלב. כאשר מגדלים אותו על אגר חלב רזה, ייצור הפרוטאז caseinase החוץ תאי גורם לפירוק הקזאין, המופיע כאזור ניקוי סביב הגידול המיקרוביאלי. ניתן להשתמש בייצור Caseinase על ידי הפתוגן האופורטוניסטי Pseudomonas aeruginosa כדי להבדיל אותו מחיידקים גרם שליליים אחרים הקשורים.

לאחר פירוק פרוטאז חוץ-תאי וספיגת פפטידים בתא, לאחר מכן ניתן לפרק את הפפטידים עוד יותר לחומצות אמינו בודדות על ידי פרוטאזות תוך-תאיות נוספות, וכל חומצת אמינו יכולה להיות מנותקת אנזימטית כדי להסיר את קבוצת האמינו. המולקולות הנותרות יכולות להיכנס לתגובת המעבר או למחזור קרבס.

תרגיל \(\PageIndex{2}\)

כיצד קטבוליזם של חלבון יכול לסייע בזיהוי חיידקים?

מיקוד קליני: חלק 3

מכיוון שדלקת קרום המוח החיידקית מתקדמת כל כך מהר, הרופאים של חנה החליטו לטפל בה באגרסיביות באנטיביוטיקה, בהתבסס על התבוננות אמפירית בסימפטומים שלה. עם זאת, בדיקות מעבדה לאישור הגורם לדלקת קרום המוח של חנה היו עדיין חשובות מכמה סיבות. N. meningitidis הוא פתוגן זיהומי שיכול להתפשט מאדם לאדם באמצעות מגע קרוב; לכן, אם הבדיקות יאשרו N. meningitidis כגורם לתסמינים של חנה, הוריה של חנה ואחרים שבאו איתה במגע קרוב עשויים להזדקק לחסן או לקבל אנטיביוטיקה מונעת כדי להוריד את הסיכון לחלות במחלה. מצד שני, אם יתברר ש- N. meningitidis אינו הגורם, ייתכן שהרופאים של חנה יצטרכו לשנות את הטיפול שלה.

המעבדה הקלינית ביצעה כתם גראם על דגימות הדם וה- CSF של חנה. כתם הגראם הראה נוכחות של דיפלוקוקוס גרם שלילי בצורת שעועית. הטכנאי במעבדת בית החולים טיפח את דגימת הדם של חנה הן על אגר דם והן על אגר שוקולד, והחיידק שגדל בשתי המדיה יצר מושבות אפורות ולא המוליטיות. לאחר מכן, הוא ביצע בדיקת אוקסידאז על חיידק זה וקבע שהוא חיובי לאוקסידאז. לבסוף, הוא בחן את רפרטואר הסוכרים שהחיידק יכול להשתמש בו כמקור פחמן ומצא שהחיידק חיובי לשימוש בגלוקוז ומלטוז אך שלילי לשימוש בלקטוז וסוכרוז. כל תוצאות הבדיקה הללו עולות בקנה אחד עם המאפיינים של N. meningitidis.

תרגיל \(\PageIndex{3}\)

1. מה מספרות לנו תוצאות הבדיקה הללו על המסלולים המטבוליים של N. meningitidis?
2. מדוע אתה חושב שבית החולים השתמש בבדיקות הביוכימיות הללו לזיהוי במקום ניתוח מולקולרי על ידי בדיקות DNA?

מושגי מפתח וסיכום

• ביחד, לחיידקים יש את היכולת לפרק מגוון רחב של מקורות פחמן מלבד פחמימות, כולל שומנים וחלבונים. המסלולים הקטבוליים של כל המולקולות הללו מתחברים בסופו של דבר לגליקוליזה ולמחזור קרבס.
• מספר סוגים של שומנים יכולים להתפרק מיקרוביאלית. הטריגליצרידים מתפרקים על ידי ליפאזות חוץ -תאיות, ומשחררות חומצות שומן מעמוד השדרה של הגליצרול. פוספוליפידים מתפרקים על ידי פוספוליפאזים, ומשחררים חומצות שומן וקבוצת הראש הזרחנית מעמוד השדרה של גליצרול. ליפאזים ופוספוליפאזים פועלים כגורמי ארסיות עבור חיידקים פתוגניים מסוימים.
• חומצות שומן יכולות להתפרק עוד יותר בתוך התא באמצעות חמצון β, אשר מסיר ברצף קבוצות אצטיל דו-פחמניות מקצות שרשראות חומצות השומן.
• פירוק חלבון כרוך בפרוטאזות חוץ-תאיות המפרקות חלבונים גדולים לפפטידים קטנים יותר. ניתן להשתמש בזיהוי הפרוטאזות החוץ-תאיות ג'לטינאז וקזינאז כדי להבדיל בין חיידקים רלוונטיים קלינית.