שיעור ביוכימיה א ` - 134 אילה הוכמן פרופ מרצה ` : החלבונים הם ש בעוד אשר הג
ביוכימיה א' -שיעור 134 שיעור :19הליפידים מרצה :פרופ' אילה הוכמן מהם ליפידים? ליפידים הם קבוצה גדולה של מולקולות ,אשר הגדרתן שונה מקבוצות אחרות – בעוד שהחלבונים הם פולימרים של חומצות אמינו המוגדרות באופן מאוד בסיסי ,וסוכרים הם פולימרים של חד-סוכרים )פוליהידרוקסי אלדהידים או פוליהידרוקסי קטונים עם לפחות שתי קבוצות ,(OHליפידים מוגדרים כחומרים שניתן למצות מתאים או רקמות בעזרת ממס אורגני. הליפידים נחוצים לחיים – הם מקורות אנרגיה ,הם אבני הבניין של הממברנות .הליפידים מתקבלים מכמה מקורות: • המזון – דרך מערכת העיכול • הכבד – מקבל ליפידים בשלמותם ממערכת העיכול ושולח לרקמות או מסנטז בעצמו. • מאגרים – מאגר האנרגיה העיקרי בתהליכי חימצון הוא שומן ,ומקום האגירה העיקרי שלו הוא ברקמת השומן .שומנים אלו מתקבלים מהמזון – 30%מהמזון צריך להכיל שומנים. המולקולה הנפוצה ביותר מבין הליפידים היא הטריאציל-גליצרולים ,המהווים למעלה מ 50%-ממקור האנרגיה של עיקר הרקמות בגוף ,למעט המוח .המוח מוכן לקלוט רק גלוקוז כמקור אנרגיה )למעט במצבים קיצוניים בהם הוא מוכן לקבל גם גופים קטונים(. בחיות בתרדמת חורף ,מכיוון שאין מאגרי סוכרים לתקופה ארוכה ,יש ניצול של השומנים בעיקר כמקור אנרגיה .אותו הדבר בנוגע לציפורים נודדות הצריכות מקור אנרגיה זמינה לתעופה. הליפידים נדרשים בעיקר כאבן הבניין של הממברנה .יחד עם זאת יש גם ליפידים חשובים אחרים: פיגמנטים ,דטרגנטים ,טרנספורטרים ,הורמונים ,שליחים ראשוניים ומשניים ,עוגנים לחלבונים ממברנה, מולקולות סטרול וסטרואידים. מבנה חומצות שומן נפוצות ושמותיהן אלמנט מבנה בסיסי של ליפידים הוא חומצות שומן .חומצת שומן היא מולקולה אמפיפאטית המכילה זנב הידרופובי פחמני וקבוצה קרבוקסילית בקצה .השרשרת ההידרופובית יכול הלהיות רוויה )קשרים יחידים בלבד( או בלתי-רוויה )מכילה קשרים כפולים או משולשים( ולעיתים אפילו להכיל הסתעפויות )בעיקר במיקרואורגניזמים(. הנומנקלטורה צריכה לציין את מספר הפחמנים בשרשרת )לרוב מספר זוגי הגדול מ 12-או (16ומידע אודות קשרים כפולי :האם קיימים ,כמה מהם יש אם כן ,איפה הם נמצאים ומה הקונפיגורציה שלהם )ציס /טראנס(. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :19הליפידים 135 בטבלה ניתן לראות חומצות שומן נפוצות ואת הנומנקלטורה שלהן .כתיבה המציינת 12:0אומרת שיש 12 פחמני ם ו 0-קשרים כפולים .לכל מולקולה מצויינים שם סיסטמטי )המציין כמה פחמנים יש( ושם נפוץ )השם שניתן למולקולה כשרק בודדו אותה וטרם הייתה שיטתיות למתן השמות(. אם יש קשרים כפולים )המתחילים החל בפחמן ה ,(16-הדבר יצוייין על ידי ,16:1למשל ,כלומר 16פחמנים וקשר כפול אחד. על מנת לציין היכן הקשר הכפול נמצא מוסיפים את נתון דלתא: קשר כפול הוא בין שני פחמנים והדלתא ממוספרת לפי הפחמן בעל המספור הנמוך יותר בקשר הכפול .למשל ,אם הקשר בין פחמנים ,9-10נציין .∆9 11 המספור של חומצות שומן מתחיל תמיד מהפחמן של החומצה הקרבוקסילית. נתונה גם הקונפורמציה ,שהיא תמיד ציס; הסיבה היא ששומן טראנס יוצר "ברך" בשרשרת בעוד שקונפורמציית ציס משאירה את השרשרת במצב מיושר .מסיבה זו אנו לא צריכים לצרוך כמויות גדולות מדי של שומן טראנס ,המזיק בכמויות עודפות בגוף. אין קשרים משולשים. כשמאחסנים ,משנעים ,או מעבדים חומצות שומן בתהליכים מטאבוליים יש לוודא שהראש ההידרופילי לא יהיה חופשי ,כי 11ניתן להסתכל על זה גם בתור המרווח התשיעי בין פחמנים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 136 המולקולה האמפיפאטית היא גם דטרגנט ובתור שכזו היא מסוגלת לפרק ממברנות .מסיבה זו חומצות השומן אינן מאוחסנות כחומצות שומן חופשיות אלא כטריאציל גליצרולים. קבוצה אצילית היא קבוצה של ' .R-C(=O)-Rגליצרול הוא כהל )גליצרול( עם שלוש קבוצות .OHניתן לקשור אותו בקשר אסטרי לחומצת השומן .כל קישור כזה יוצר קבוצה אצילית ,ולכן כאשר כל שלוש ה OH-יצרו קשורים לחומצות שומן המולקולה המתקבלת היא טרי-אציל גליצרול. יתרון השימוש בחומצות שומן כמאגר אנרגיה במחקר החיים נשאלת בעיקר השאלה מדוע האבולוציה הובילה לחיים כפי שהם ולא אחרת; הדוֺגמה של האבולוציה היא שיש יתרון למצב הקיים .מה היתרון של שימור מקורות האנרגיה בטריאציל- גליצרולים? הרי גם חלבונים וסוכרים מתפלמרים. יתרון הפילמור ברור :פולימרים מקטינים את הלחץ האוסמוטי .אז למה בטריגליצרולים? המיצוי של האנרגיה נעשה על ידי חימצונה .ככל שהמולקולה יותר מחוזרת מלכתחילה ,תמוצה יותר אנרגיה. מכאן שעדיף להשתמש בחומצות שומן ,שמכילות פחמנים מחוזרים רבים )ועדיין מעט חמצן כדי שניתן יהיה להמיר זאת למצב ביולוגי(. הסבר נוסף הוא אריזה :כאשר אורזים חומר הידרופובי ,הוא מסלק את כל המים מתוכו .סוכרים או חלבונים סופחים מים ולכן אם חומר התשמורת היה גליקוגן הנפח של חומר התשמורת היה כפול .זוהי פשרה על הגודל הטוב ביותר שהאבולוציה הגיעה אליו. קבוצות עיקריות של ליפידים הליפידים הם משפחה ענפה של מולקולות ,המחולקת לכמה משפחות ,ביניהן: • ליפידים לחומרי תשמורת – מולקולות ניטרליות ,ללא מטען ,מיוצגות על ידי טריגליצרול. • ליפידים ממברנליים – מולקולות פולאריות ,עם מטען ,המיוצרים על ידי פוספוליפידים )גליצרופוספוליפידים ,המכילים ראש גליצרול וקישור לשתי חומצות אמינו ולאלכוהול דרך פוספט( וספינגוליפידים )מחובר כולין בפוספט במקום לאלכוהול(. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :19הליפידים • 137 כולסטרול – הכרחי לבניית ממברנות; מהווה חומר מוצא לחומרי תא רבים אחרים כמו הורמונים ממשפחת הסטרואידים .לכולסטרול יש ראש הידרופילי. • סטרואידים – בנויים משלוש טבעות משושות וטבעת מחומשת .נבדלים במתמירים שעל הטבעות ובסוג הראש הפולארי. לרוב הסטרואידים הטבעיים יש ראש הידרופילי ,קבוצת .OH בין הסטרואידים נמצאים הורמונים כמו הורמוני המין )טסטסטורון ואסטרדיול( ,הורמוני מטאבוליזם )קורטיזול ואלדסטרון( סטרואידים וכן סינטטיים כמו תרופות סטרואידיות המשמשות נגד דלקות. מעבר ליפידים ממערכת העיכול לגוף ולכבד על מנת להשתמש בשומנים שנצרכו במזון יש לספוג אותם תחילה. השומנים הבעייתיים הם סטרולים וטריגליצרידים –רק חומצות קטנות ניתנות לספיגה ,לא פולימרים )נכון גם לגבי החלבונים והסוכרים(. מכאן שמערכת העיכול צריכה לפרק את הנוטריינטים .חלבונים וסוכרים הם הידרופילים ולכן אין בעיה לאנזים מפרק מסיס להגיע אליהם; אך ההידרופובים השומנים מסתדרים בצורה שאינה מאפשרת מגע לאנזים. לשם כך יוצרים מיצלות סביב השומן .המיצלות מיוצרות על ידי מלחי המרה המיוצרים בכבד ומרוכזים בכיס המרה .המיצלה מכילה בתוכה את השומן ואת האנזים המפריד את הקשר האסטרי של חומצות השומן בסטרול או בטריגליצריד .אנזים המפרק שומנים מכונה Lipaseוהוא מפרק קשרים אסטרים בטריאציל- גליצרולים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 138 כעת צריך להעביר לדם את חומצות השומן ,אשר יישלח אותן לרקמות הצורכות אותן ואת העודפים יישלח לכבד .אין לשחרר חומצות שומן באופן חופשי בדם ,ובטח שלא בכמויות המצויות לאחר האכילה; לכן חומצות השומן מועברות לתוך תאי האפיתל ,שם הן נבנות מחדש כטריאציל-גליצרולים ,ורק אז הן מועברות לדם. ההסעה בדם – ליפופרוטאינים בדם ,על מנת שהטריאציל-גליצרולים השומניים לא יישקעו או ייצרו צבירי שומן שעשויים לחסום את כלי הדם ,נוצרים מבנים בשם ליפופרוטאינים – מיצלות גדולות עשויות פוספוליפידים ומלאות טריגליצרידים וכולסטרול .המיצלות נעות בדם בקלות כי הן מפנות לתמיסה את הראש ההידרופילי. הליפופרוטאין המסיע שומן מאפיתל המעי לרקמות הוא כילומיקרון ) .(Chilomicronהטריגליצרולים צפופים במרכז הכילומיקרון והסטרולים קשורים למעטפת בשל הראש ההידרופילי שלהם. הכילומיקרונים עוברים מתאי האפיתל של המעי לדם ומתחילים לנסוע בו. כשהם מגיעים לרקמות המטרה הראשוניות ,שהן רקמות שומן ,שרירי שלד ,לב ורקמת חלב ,הם צריכים למסור את חומצות השומן .לשם כך יש לפרק את הטריגליצרידים בעזרת אנזימים אפופרוטאינים .אחד מהם, ,ApoC2מפרק את השומנים כשהם מגיעים לקפילרות הקטנות ביותר של כלי הדם – הנמצאות במגע ספציפי עם התא. בדופן הקפילרה של רקמות המטרה נמצא האנזים ליפופרוטאין-ליפאז. כאשר הכילומיקרון הקפילרה, ApoC2 נצמד מזהה לדופן את ליפופרוטאין ליפז ומפעיל אותו .בשלב זה ,הליפאז חודר לכילומיקרון ומתחיל לפרק את הטריגליצרידים .חלקם מתפרקים לחומצות שומן העוברות את ממברנת הקפילרה ונכנסות לרקמת חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :19הליפידים 139 המטרה; ברקמות שצורכות אנרגיה ,הרקמה תפרק את חומצת השומן להפקת אנרגיה .אם זו רקמת שומן שאוגרת שומנים ,היא תפלמר את חומצות השומן .כך הכילומיקרונים מעבירים טיפין-טיפין את חומצות השומן עד שיגיעו לכבד שם הם ייתפרקו. הכבד מקבל את עודפי השומנים ממערכת העיכול .הוא מסוגל לייצר שומנים וסטרואידים ,לפי הצורך; תפקידו לשלוח את הליפידים לזרם הדם .הוא אורז אותם בליפופרוטאינים משלו )לא כילומיקרונים( כדי לשלוח אותם בזרם הדם. אחרי שהכילומיקרונים פיזרו וחילקו חלק ניכר מחומצות השומן הם מגיעים לכבד ,שם יש רצפטור ל ApoE-לפיו מזוהה הכילומיקרון ,נכנס לתאי הכבד ומתפרק. העברת ליפידים מהכבד לרקמות לאחר צריכת שומן והעברתו בכילומיקרונים לרקמות המטרה ,שיירי השומן ) (remnantמגיעים לכבד. הכבד אינו צורך שומנים באופן מיוחד ולכן הוא בולע את כל השומן .כעת הכבד "מחליט" מה לעשות עם השומן – לפרק ,לאגור או לשלוח לרקמות. הכבד הוא צומת מטאבולי מאוד חשוב – וזו אחת הסיבות שכיום עדיין אי אפשר לייצר כבד מלאכותי ,בשל המורכבות של הפעולות המיוחדות שעליו לבצע. הכבד מקבל ליפידים ממערכת העיכול או מסנטז אותם במצב של עודפי נוטריינטים .הוא אורז את הליפידים הנשלחים לרקמות בליפופרוטאין מסוג .VLDLזהו נציג נוסף של הליפופרוטאינים ,יחד עם LDLו .HDL-החלקיקים האלה ,הבנויים כמו שאר הליפורוטאינים – מיצלות המכילות אפופרוטאינים האחראים להכרה והפעלת אנזימים – נבדלים ביניהם ביחס בין אחוזי החלבון לאחוזי השומן .שומן קל יותר מחלבון ,ולכן ככל שצפיפות השומן היחסית גדולה יותר הליפופרוטאין כולו קל יותר. כולסטרול-אסטר הוא צורת איחסון והעברה של כולסטרול כדי לבטל את החלק ההידרופילי שלו .להכנת המולקולה קושרים חומצת שומן לקבוצת OHשל הכולסטרול בתהליך אסטריפיקציה .הכולסטרול-אסטר, להבדיל מכולסטרול ,נמצא בתוך הליפורוטאין ולא בפריפריה .בצורה זו יותר קל לארוז אותו ולכן רוב הכולסטרול מהכבד נמצא בצורה זו. הליפופרוטאינים של הכבד ה VLDL-נוצר בכבד ויוצא לזרם הדם ,דרכו הוא מגיע לרקמות ומחלק את חומצות השומן שלו )אותן רקמות שסופקו על ידי הכילומיקרונים – במידה למשל והכילומיקרונים לא הכילו מספיק( .הטבלה באה מפרטת את רשימת האפוליפופרוטאינים המצויים על ליפופרוטאינים .הם מגוונים במשקלם, בליפופרוטאינים בהם הם נמצאים וברקמות המטרה אותן הם מזהים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 140 הכבד אורז את הליפידים – טריגליצרידים וכולסטרול – ושולח אותם לדם. שטח הפנים של הליפופרוטאין VLDLמכיל חלבוני אפופרוטאין שמפעיל ליפאז ברקמת המטרה המפרק את השומנים לחומצות שומן. ככל שנצרכים השומנים של ה- ,VLDLהצפיפות שלו הולכת ועולה )יש לתקן מקודם( כי יש יותר חלבונים ביחס לשומנים ,ואז VLDL הופך ל .LDL-ליפופרוטאין זה יכול להישלח לכבד ולרקמות אחרות .במצב זה הוא יכול לחלק גם כולסטרול .כאשר LDLחוזר לכבד הוא מפורק שם; אם הוא מגיע לרקמות הוא נותן להן כולסטרול. זיכרו :כולסטרול נחוץ בגוף ,הוא חיוני לממברנות, וכאשר הוא חסר בתזונה הוא מיוצר בכבד .במחלות כולסטרול יש בעיה במערכת הייצור של הכולסטרול והכבד מייצר כולסטרול ללא צורך. אם יש עודף כולסטרול ברקמות ,הן צריכות להחזיר את הכולסטרול לכבד .לשם כך יש ליפופרוטאינים אחרים ,HDL ,האחראי להעברה הפוכה של כולסטרול – הוא לוקח כולסטרול עודף מהרקמות ומשיב אותו לכבד .מערכת בקרה בודקת תמיד האם הרקמות צריכות כולסטרול או שיש להן עודף ומפעילה תגובה מתאימה. ה HDL-נוצר בכבד או במעי הדק ,מכיל מעט מאוד ליפידים )כולסטרול ושומני מעטפת( ומשוחרר לדם. הוא מגיע לרקמות המזהות אותו ואוסף מהן כולסטרול .כדי שיוכל להכיל הרבה כולסטרול HDL ,מכיל אנזים המבצע אסטריפיקציה של חומצת שומן לקבוצת OHשל הכולסטרול .האנזים הזה מכונה LCAT והוא חוסם את קבוצת OHבעזרת חומצת שומן שנלקחה מפוספטיליכולין )לציטין( .האנזים מלביש קבוצה אצילית מחומצת השומן על OHשל הכולסטרול בקשר אסטרי .מהלציטין נשאר ליזולציטין – לציטין שאיבד חומצת שומן אחת. אם הכולסטרול היה חופשי ,לא היה לו מקום במערכת; אם הוא ארוז בתור כולסטרול 10-הוא יוכל להצטבר בגוף בתור שומן והאנרגיה לא תבוזבז. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :19הליפידים שהחלקיקים לאחר 141 מחלקים את תכולתם ,הם נכנסים לרקמה מחסלת – כבד או תאים אחרים .החיסול נעשה בתוך התא ולכן צריך להכניס פנימה את כל החלקיק. החלקיק צריך להכיר את רקמת המטרה ,וההכרה נעשית על ידי רצפטור – ,LDL Receptorהמזהה את האפוליפופרוטאין כאשר נקשר הLDL- .ApoB100 לרצפטור, ממברנת התא הקולט נסגרת על ה- LDLבתהליך אנדוציטוזה היוצרת אנדוזום .הממברנה של האנדוזום מכילה את ממברנת התא עם הרצפטור ל .LDL-על מנת למחזר את הרצפטור ולחסל את ה ,LDL-ממברנת האנדוזום פולטת את האיזור שמכיל את הרצפטור וזה נשלח כוזיקולה לממברנת התא ומתאחה איתה. מה שנשאר מהאנדוזום מובל לליזוזום המכיל אנזימי דגרדציה המסוגלים לפרק את מרכיבי ה LDL-לחומצות שומן ,חומצות אמינו וכדומה .אבני היסוד משמשות באופן הנדרש על ידי התא – בין אם לשימוש ,אגירה או חלוקה הלאה )בכבד(. משמאל :תמונות מיקרוסקופ המאפשרות לראות ליפופרוטאינים ולעמוד על הבדלי הגודל המשמעותיים ביניהן. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 142 שיעור :20הליפידים – המשך מלח המרה הנפוץ ביותר הוא החומצה הכולית ) .(Cholic acidאלו מולקולות אמפיפאטיות-דטרגנטיות הנגזרות מכולסטרול .מלחי המרה עוזרים להמסיס את הליפידים בתווך המימי שבחלל המעי ,על ידי ציפוי הליפידים באיזור הידרופילי .הם יוצרים מיצלה גדולה המקיפה בזנבות הידרופובים את השומנים ומפנה ראשים הידרופילים כלפי חוץ .בתוך הסביבה הזו יכול הליפאז לעבוד על פירוק השומנים. חומצות שומן בלתי רוויות יוצאות כיפוף במולקולה .הכיפופים האלה משנים את יכולת האריזה של חומצות השומן .בממברנה זה משנה את תכונות המוצקות שלה ,במבחנה או בבקבוק זה משנה את יכולת המולקולות להתקרב אחת לשנייה ולכן את נקודות ההיתוך והרתיחה של אותן מולקולות. חימצון חומצות שומן חומצות שומן הן מולקולות ארוכות מאוד שיש לחמצן על מנת להפיק את האנרגיה האצורה בהן; תהליך הפירוק מכונה בטא-אוקסידציה כי כל חומצת שומן מפורקת למולקולה דו-פחמנית – אצטיל,CoA- הממשיך למעגל קרבס )ולכן התהליך נעשה במיטוכונדריה(. תוך כדי הפירוק נוצרים NADHו FADH-יחד עם ,acetyl CoAכאשר השניים הראשונים מוסרים אלקטרונים לשרשרת הנשימה במיטוכונדריה לקבלת ATPואצטיל CoAמתחמצן ל CO2-ומים במעגל קרבס )המפיק עוד FADH ,NADHו.(GTP- השימוש בחומצות שומן מקנה שני יתרונות בתור מאגר אנרגיה: • קומפקטיות שנובעת מאגרגטים קטנים יחסית האוצרים הרבה אנרגיה. • האגרגטים השומניים לא סופחים מים ולכן נפחם מינימלי. הטריגר לפירוק שומן הוא צורך באנרגיה ,המתבטא בהפרשת הורמון אחד משניים: • אפינפרין )אדרנלין( – מופרש מבלוטת האדרנל לצורך הפעלת שרירי שלד. • גלוקגון – מופרש מהלבלב כאשר רמת הגלוקוז בדם יורדת ,על מנת לשמור על רמת גלוקוז בדם שתספק את צורכי המוח. שני הורמונים אלו נקלטים ברצפטורים מתאימים על ממברנת האדיפוציט ) ,Adipocyteתא של רקמת השומן(; בתגובה מופעל פרוטאין קינאז, המזרחן את טריאציל גליצרול ליפאז )עובד בתוך רקמת השומן( .לאחר ההפעלה הליפאז מתחיל לפרק את הטריגליצרולים לחומצות שומן ,היוצאות מהתא אל הדם. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :20הליפידים – המשך 143 חומצות השומן מוסעות בזרם הדם לאחר קשירתן לסרום-אלבומין .חומצות השומן ספוחות לאלבומין, החלבון העיקרי הזורם בדם ,ובמצב זה הן עוברות לרקמות שם הן נכנסות לתאים ולמיטוכונדריות ,בהן יעברו פירוק. חיתוך קשרי הפחמנים בחומצות השומן אינו פשוט; התהליך מיועד להפקת אנרגיה בצורת ATPולא חום ,כמו שניתן היה אולי לעשות בתהליך שריפה )ראו שומן חום(; משום כך יש לפנות למעגל סבלני וארוך שיפרק את חומצות השומן תוך הפקת אנרגיה מקסימלית. שלב :Iהפעלת חומצת שומן ע"י קשירה לAcetyl CoA- חומצת השומן מופעלת על ידי קשירתה לאצטיל.CoA- בתיווך האנזים ,fatty acyl-CoA synthetaseמולקולת ATPמפורקת ל AMP-המסופח לקבוצה האצילית של חומצת השומן )פירופוספט משתחרר ומתפרק לשני פוספטים אנאורגניים על ידי האנזים .(inorganic pyrophosphatase כעת קואנזים A-מתקיף את החומצה האצילית ,מתחבר ומשחרר את .AMP בתהליך הזה מושקעות שתי מולקולות ATPלמרות שמצויינת רק אחת: הסיבה היא שהתוצר אינו ADPאלא .AMP שני קשרי הפופסט נשברים בקישור לאצטילCoA- וכן בפירוק של פירופוספט ,שגם תהליך פירוק קשר עשיר אנרגטית.12 חומצת השומן שופעלה על ידי קישור לקואנזים ;A-מכאן והלאה החומצה וכל תוצריה יהיו קשורים לקואנזים.A- שלב :IIכניסה למיטוכונדריה הפירוק מתבצע במיטוכונדריה כי התוצרים שלו הם סובסטרטים של מעגל קרבס .חומצת השומן המשופעלת נכנסת באופן חופשי לתוך המיטוכונדריה ,אולם יש להשאיר את הקואנזים A-בחוץ )יש מאגרים נפרדים של קואנזים A-מחוץ למטוכונדריה ובתוכה( .לצורך כך מולקולת קרניטין נקשרת לחומצת השומן דרך האציל ומשחרר את הקואנזים .A-התהליך מתרחש בתיווך האנזים קרניטין-אציל-טראנספראז .I 12יש אפילו יצורים ירודים שדי להם באנרגיה הזו ואינם צורכים כלל .ATP החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 144 כעת יכול אציל-קרניטין להיכנס למיטוכונדריה .לאחר הכניסה ,האנזים קרניטין אציל-טראנספראז IIמוריד את קבוצת הקרניטין מהאציל וקושר במקומה .CoA הקרניטין יוצא דרך טרנספורטר מהמטריקס של המיטוכונדריה חזרה לציטוזול ,לקשור עוד חומצת שומן. שלב :IIIשבירת הפחמנים הקיצוניים מהמולקולה נשברים זוג פחמנים כל פעם ,ביחידות של אצטיל .CoA-האנזים אציל CoA-דהידרוגנאז מתחיל בהורדת הזוג הראשון :הוא מוציא שני מימנים – מפחמנים אלפא ובטא שליד הקשר האצילי – ומעביר אותם ל .FAD-בין הפחמנים נוצר קשר כפול. בעזרת מולקולת מים ובתיווך אנואיל CoA-הידראטאז תוקפים את הקשר הכפול החדש ליצירת קבוצה של כהל שניוני .לאחר מכן שוב מסלקים שני מימנים )בתיווך אנזים דהידרוגנאז( על ידי סיפוח אחד מהם לNAD- )יוצר (NADHושחרור פרוטון .כעת נוצרה קבוצת אציל חדשה על פחמן בטא. עכשיו מגיע אנזים תיולאז אשר חותך החוצה את האצטיל CoAשהיה על המולקולה וקושר CoAחדש לקבוצת האציל שנחשפת .בצורה כזו גם שוחררה אצטיל CoAוגם נשמרה אצטיל CoAבמולקולה. התהליך חוזר על עצמו עד שכל חומצת השומן מתפרקת. סיכום • שיפעול חומצת השומן – נעשה מחוץ למטריקס, בחלל הבין ממברנלי .קושר את השומן לאצטיל CoAומשקיע שתי מולקולות .ATP • כניסה למיטוכונדריה – קישור לקרניטין במקום לאצטיל ,CoAכניסה למיטוכונדריה ואז אנזים מנתק הקרניטין ומחליפו באצטיל CoA מהמטריקס. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :20הליפידים – המשך • 145 חומצות השומן מפורקות ליחידות של אצטיל CoAבתהליך בטא- אוקסידציה .האצטיל נכנס למעגל קרבס לצורך הפקת אנרגיה וחימצון סופי. הטבלה מתארת את התפוקה האנרגטית של תהליך חימצון חומצת שומן פלמיטית. מסלולי וריאנטים המסלול הנ"ל הוא המסלול המרכזי; כשיש חומצות שומן וריאנטיות יש להמיר אותן באופן כזה שיהיה קל יותר לפרקן. חומצות שומן לא רוויות • התהליך מתחיל באופן דומה לחומצה הפלמיטית, על ידי הכנסת אצטיל CoAוחיתוך אצטיל CoA כל פעם. • כאשר מגיעים לקשר הכפול ,נתקלים בבעיה: אומנם המערכת שואפת ליצור קשרים כפולים, אבל אלו קשרי טראנס דלתא .2-הקשר הכפול בחומצה הלא-רוויה הוא במצב ציס-דלתא .3-לכן מכניסים אנזים איזומראז אשר משנה ציס לטראנס ומזיז את הקשר הכפול בעמדה אחת ימינה .כך מתקבל קשר טראנס-דלתא 2-וניתן להמשיך. • בצורה כזו פותרים כל קשר כפול לאורך המולקולה; שימו לב שיש הבדל אם הקשר הכפול הוא בעמדה זוגית או בעמדה אי-זוגית )בעמדה זוגית אין צורך להזיז את הקשר ,רק לשנות לטראנס(. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 146 חומצות שומן עם מספר פחמנים אי-זוגי • בחומצות שומן זוגיות ,מגיעים לקצה שיש בו 4 יחידות ולכן מחלקים לשתי יחידות של אצטיל .CoA • בחומצות שומן איזוגיות ,מקבלים שלוש פחמנים לקראת הסוף; זהו פרופינול .CoA-האנזים פרופיוניל CoA-קרבוקסילאז מכניס חומצת קרבונאט לפרופאוניל,CoA- ומתקבלת מתילמאלוניל.CoA- • המולקולה הזו עדיין אינה מזוהה על ידי המערכת ולכן שני אנזימי שינויים פועלים – אפימראז מחליף משנה את האיזומר ומוטאז מזיז את ה- CoAליצירת סוקציניל .CoA תהליך זה משתמש בויטמין B12כקואנזים .הויטמין )ראו אור תחתון( נראה מעט כמו מולקולת Heme אולם עם אטום קובלט במרכז .הוא מיוצר על ידי מיקרואורגניזמים ,ולא על ידי צמחים או בעלי חיים. המקור הטוב ביותר ל B12-הוא איברים של בשר המכילים דם – כמו כבד או בשר אדום. בקרה הפיקוח על חימצון חומצות השומן נעשה בהתאם לצרכי הגוף .חומצות השומן יכולות להתפרק לצורך מתן אנרגיה או להיכנס למאגר אנרגיה .הצעד קובע המהירות הוא בשלב הכניסה למיטוכונדריה – בלעדיו חומצות השומן יסתובבו בתא עד שייכנסו למאגרי רקמות השומן; מכאן שהאנזים קובע המהירות הוא קרניטין אציל טראנספראז .I האנזים הזה מעוכב על ידי מאלוניל ,CoA-שהוא התוצר הראשון בביוסינטזה של חומצות שומן .אם היה סיגנל לסינטזה של חומצות שומן – כלומר יציאה במצב רעב – הגוף יבקש להכניס חומצות שומן למאגרים ולא לפרק אותם. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :20הליפידים – המשך 147 • האנזים המתחיל את הפירוק מעוכב על ידי תוצר הבנייה הראשון. • אם היה סיגנל לסינטזה של חומצות שומן ,הפירוק נעצר על ידי מניע כניסת חומצות שומן למיטוכונדריה. + כמו כן ,יחס גבוה של NADH/NADמעכב את האנזים בטא-הידרוקסיאציל CoA-דהידרוגנאז. היחס הגבוה מצביע על רמה גבוהה של סמן אנרגטי גבוה – – NADHולכן אין צורך לפרק שומנים. האנזים המעוכב הוא אנזים המייצר NADHעל ידי דהידרציה של חומצת השומן )בפעם השנייה( ויצירת קבוצה אצילית )לפני ניתוק האצטיל.(CoA- גם ריכוז האצטיל CoA-משמש לבקרה ומעכב את אנזים התיולאז )החותך אצטיל CoA-מחומצת השומן( .הצטברות של אצטיל CoA-אומרת שמעגל קרבס עובד לאט יותר מקצב יצירת האצטילCoA- ולכן אין צורך ליצור עוד אצטיל CoA-על ידי פירוק השומנים. מה על הגליצרול שחיבר את חומצות השומן? הגליצרול הופך ל G3P-על ידי האנזימים גליצרול קינאז ,גליצרול -3פוספט דהידרוגנאז וטריוז פוספט איזומראז .כבר לאחר פעילות גליצרול קינאז מתקבל תוצר שיכול להיות סובסטרט בגליקוליזה. גופים קטונים כאשר מעגל קרבס עובד כראוי השומן מפורק ונכנס אליו כאצטיל CoA על ידי אוקסלואצטאט .במצב של חוסר איזון,13 כאשר המעגל עני באוקסלואצטאט ,אצטיל CoAלא יכולה להיכנס כרגיל ולכן נכנסת דרך גופים קטונים :אצטון ,אצטואצטאט ובטא הידרובוטיראט )ראו משמאל(. הגופים הקטוניים נוצרים על ידי חיבור שתי מולקולות אצטיל CoAבתיווך התיולאז )אשר פועל כאן בכיוון ההפוך לפירוק שומן( .התוצר הוא אצטואצטיל CoA-ואליו מתחבר עוד אצטיל .CoA 13למשל :תהליכי ביוסינטזה של חומצות אמינו ,נוקליאוטידים או קבוצות ,Hemeאשר להם מעגל קרבס מספק עודפים, ובעקבות כך נגרמים חוסרים באוקסלואצטאט הנובעים מדלדול תוצרי המעגל עקב צום או פתולוגיה. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב 148 ביוכימיה א' -שיעור המולקולה הסופית יכולה להתקדם לסינטזה של כולסטרול )הכיוון הרצוי ברוב המקרים( או לייצור גופים קטוניים .בתהליך מסולקת קבוצה אחת של אצטיל CoA-ומתקבל אצטואצטאט ,ממנו אפשר להמשיך בדה-קרבוקסילציה לקבלת אצטון או הדה- הידרוגנציה לקבלת -βהידרוק-סיבוטיראט. בכבד מתפקד אין ייצור כולסטרול אלא אם צריך אותו – הפיקוח על רמות הכולסטרול צמוד מאוד. בשל כך ,כאשר הן נוצרות ,שלושת המולקולות הקטוניות מצטברות בדם ויכולות לגרום נזק ואף מוות. אם ניתן למלא את מאגרי האוקסלואצטאט במיטוכונדריה ממעגלים אחרים ,אפשר לחזור אחורה – לא דרך אצטון ,כי לרוב הוא מתנדף ,אבל מהגופים האחרים אפשר לחזור לסוקצינילCoA- ולהוריד ממנו את הקואנזים .אז ,באמצעות תיולאז, מקבלים שתי מולקולות אצטיל .CoAיש מספיק אוקסלואצטאט במעגל קרבס ,אצטיל CoA-ינוצל במסלול מטאבוליזם רגיל. הגופים הקטוניים מסתובבים בדם .חלקם מופרשים בשתן או חוזרים לאצטיל CoA-כאשר הגוף מקבל גלוקוז ,אז ניתן לחמצן אותם במעגל קרבס. התהליך הזה קורה בכל הרקמות חוץ מהמוח .המוח מנצל רק גלוקוז ,בעקרון ,אבל הוא יכול לנצל גם גופים קטוניים במצבי רעב .כאשר אין אספקת גלוקוז לפרק זמן ממושך ,המוח עושה אינדוקציה של אנזים המאפשר ניצול של אצטיל coAוגופים קטוניים. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :21ביוסנטזה של ליפידים 149 שיעור :21ביוסנטזה של ליפידים מערכת סינטזת חומצת השומן הבסיסית מייצרת שרשרות 16פחמנים רוויות .כדי להגיע למגוון שאנו זקוקים לו ניתן לקחת חומצות שומן בסיסיות אלו ולשנות אותן על ידי הארכה והכנסת קשרים כפולים. ביוסינטזה בסיסית של חומצות שומן ביוסינטזה זו משתמשת באצטיל CoAכחומר מוצא; כשם שהפירוק נעשה באיטיות ובסבלנות ,בתהליך הביוסינטזה מוסיפים בסבלנות מולקולות אצטיל COAאחת לשנייה עד לקבלת חומצת שומן של 16 פחמנים .בגדול זה נראה כמו תהליך היפוך ,אבל המסלולים שונים. • שלב ראשון :מוסיפים לאצטיל CO2ומקבלים מלאניל ,CoAמולקולה עם 3פחמנים. • שלב שני :מחברים למלאניל עוד אצטיל ומקבלים שחרור של CO2אחד מולקולת 4פחמנים. • מכאן והלאה לוקחים כל מולקולה ) 4,6,8וכן הלאה פחמנים( ומדביקים לה מלאניל ,בכל פעם מקבלים התארכות ב 2-פחמנים ופליטה של CO2אחד. • בסופו של דבר מגיעים לשרשרת רוויה של 16פחמנים .בשלב הזה חומצת השומן נופלת מהאנזים. השלב קובע המהירות הוא שלב חיבור ה CO2-לאצטיל .האנזים המתווך הוא אצטיל CoAקרבוקסילאז ,הצורך ATPלפעילותו .לאנזים יש רכיב בשם ביוטין הקושר את האצטיל. ביוטין נקשר ל CO2-בשלב הראשון ובשלב השני מעביר את הCO2- לאצטיל לקבלת מלאניל. התהליך ,קל לראות ,נעשה בשלבים. כדי לייעל את התהליך ולמנוע שחרור תוצרי ביניים, כל הפונקציות האנזימטיות יושבות על קומפלקס אחד והתוצר המתארך קשור קוולנטית לאתר הפעיל של הקומפלקס עד לקבלת התוצר הסופי .שימו לב שכאשר מתחבר ה CO2-מתקבלת קבוצה קרבונילית שצריך לחזר ל .CH2-התהליך מתרחש בעוד התוצר קשור תמיד לקומפלקס האנזינטי. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 150 השמות של האנזימים מופיעים משמאל ,צריך לזכור את הסוף שלהם – את הפונקציה. המולקולה הצומחת נקשרת בקשר קוולנטי לאנזים .בשלב הראשון )משמאל( אצטיל CoAמגיב עם האנזים ונקשרת לציסטאין של האנזים .אנזים טראנספראז ) (MTמעביר את הקבוצה האצטילית של אצטיל CoA-לקומפלקס )תחילה מתבצע שחרור ,CoA המזורז על ידי .(AT בשלב הבא )למטה( הטראנספראז ) (MTמעביר את קבוצת המלוניל של מלוניל CoA-מהאתר הפעיל ל ACP-ואז קושר עוד קבוצה אצטילית לאתר הפעיל ) .(KSדחיסה של שתי המולקולות )משמאל למטה( על ידי KSיוצרת אצטואצטיל ,ארבעה פחמנים )לאחר שחרור .(CO2 כעת )בעמוד הבא( צריך לחזר את הקטון על ידי NAD(P)Hככוח מחזר האנזים ובשילוב רידוקטאז ) ,(KRלקבלת כהל. כעת מוציאים מולקולת מים – OH מהפחמן הכהלי וH- מהפחמן הסמוך – בתיווך דה-הידראטאז )(HD ליצירת קשר כפול. בשלב הבא )בעמוד הבא ,משמאל( יש להוסיף שני מימנים על מנת לחזר את הקשר הכפול שנוצר .אלקטרונים מוספים בעזרת NAD(P)Hועליהם נוספים פרוטונים .האנזים המתווך הוא רידוקטאז ).(ER התוצר )בעמוד הבא ,למטה מימין( מועבר לציסטאין על ידי סינטאז ,והמחזור מתחיל מחדש על ידי חיבור של אצטיל למולקולה. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :21ביוסנטזה של ליפידים 151 יש הבדל בין האורגניזמים ,הנובע מהתקדמות האבולוציה. למערכת יש שבע פונקציות ,אשר בחיידקים וצמחים נמצאות על שבעה פוליפפטידים שונים שכל אחד מהם צריך הרכבה באופן תקין וסינטזה ביחס של .1:1 בשמרים הפונקציות נחלקות בין שני פוליפפטידים ובחולייתנים יש פוליפפטיד אחד שיוצרת שרשרת מתאימה שצריך רק לקפל כדי לקבל את כל הפונקציות. גם לפירובאט דהידרוגנאז יש כמה פונקציות באותה האנזים ,וגם שם אספו את הפונקציות לקומפלקס אנזימטי אחד )למרות ששם יש 60שרשרות פוליפטידיות(. הטבלה הבאה מסכמת ומשווה בין הסינטזה לפירוק של חומצות שומן .תהליך הפירוק נעשה במיטוכונדריה בעוד שתהליך הביוסינטזה נעשה בציטוזול ,על מנת למנוע פירוק כשנדרשת סינטזה וההיפך .שרשרת חומצות השומן מתפרקת ליחידת של אצטיל CoAונוצרת על ידי סיפוח מלוניל CoA שנותרות ממנו יחידות של אצטיל) CoA-לאחר שחרור .(CO2 החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב 152 ביוכימיה א' -שיעור שבעוד שהעקרון של שני התהליכים זהה ,הפרטים שונים לחלוטין. אם היינו מסמנים את הביקארבונאט ) (H14CO3של הפחמן לא היה כל סימון בתוצר הסופי כי אותו פחמן שנכנס גם יוצא בהמשך התגובה. רוב תהליכי הפירוק בתאים מתנקזים לאצטיל :חומצות אמינו מתפרקות לאצטיל ,סוכרים ושומנים .זהו חומר מוצא טוב כי הוא מאפשר להפוך חומרי עודף בתאים לחומרים שהתאים צריכים. הכוח המחזר ,NAD(P)H ,נוצר במעגל הפנטוזות –גלוקוז 6פוספט עובר שני תהליכי חימצון ובכל שלב מתקבלת מולקולת .NAD(P)Hגם האנזים המאלי )(malic enzyme שלוקח מאלאט והופך אותו לפירובאט יוצר NAD(P)Hתוך כדי דה- קרבוקסילציה .לכן גם לכאן מגיע מאלאט היכול להפוך מקור ל- .NAD(P)H למעגל הפנטוזות יש שני תפקידים חיוניים – ייצור פנוזטוזות וגם ייצור מלאי .NAD(P)H חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :21ביוסנטזה של ליפידים 153 רוב התהליכים המפיקים אצטיל- CoA במיטוכונדריה. מתרחשים אולם ,אצטיל CoA-לא יכול לעבור את הממברנה הפנימית; לפיכך המעבר לציטוזול נעשה דרך שאטל .העקרון הוא להצמיד את מה שלא עובר על משהו אחר שכן עובר – למשל כניסה של מאלאט שהופך לאוקסלואצטאט. אצטיל CoAמיטוכונדריאלי מתחבר לאוקסלואצטאט בתגובה הדומה לתחילת מעגל קרבס ויוצא כציטראט מטרנספורטר ציטראט. ציטראט מהמיטוכונדריה יוצא לציטופלזמה ומתפרק לאצטיל .CoAכשציטראט מצטבר במיטוכונדריה הוא מעכב את מעגל קרבס .במצב כזה מעוכבת הגליקוליזה ,כדי להאט את מעגל קרבס וכדי לא לפרק גלוקוז שלא לצורך. בציטוזול יש אנזים בשם ציטראט ליאז ,המפרק ציטראט לאצטיל CoAואוקסלואצטאט – אותם המרכיבים מהם הוא נוצר במיטוכונדריה ,אולם כאן נדרש ATPליצירת הקשר עתיר האנרגיה התיו- אסטרי שבין אצטיל ל .CoA-השקעה זו אינה בעיתיית כי תהליך ביוסנטזה של שומנים נעשה בעודפי אנרגיה ולכן יש שפע .ATP האצטיל CoAילך לסינטזה של ליפידים והאוקסלואצטאט יילך חזרה למעגל קרבס ,כדי לא לדלדל את המאגרים ולמנוע יצירת גופים קטוניים .על מנת להכניס את אוקסלואצטאט למיטוכונדריה הוא מחוזר בעזרת NADHוהופך למאלאט .המאלאט נכנס דרך טרנספורטר ,הופך חזרה לאוקסלואצטאט ומצטרף למעגל קרבס. כך ,באותו סיבוב בו יצא הציטראט החוצה התקבל תוצר לסינטזת חומצות שומן ומיחזור אוקסלואצטאט. מאלאט יכול להפוך גם לפירובאט ולהיכנס מטרנספורטרים של פירובאט למעגל קרבס ,תוך שהוא הופך חזרה לאוקסלואצטאט בתיווך קרבוקסילאז. רגולציה כמו בכל תהליך ,גם כאן חשובה הרגולציה – במיוחד במסלולים הופכיים .חשוב במיוחד לשמור בתהליכים המשתפים ביניהם תוצרי ביניים דומים שהריאקציה תלך לכיוון המבוקש מאותו תוצר ביניים משותף. הצעד קובע המהירות בביוסינטזת שומנים הוא התהליך המבוצע על ידי -CoAקרבוקסילאז ,המייצר מאלוניל .CoAהפסקת הביוסינטזה צריכה להיעשות על ידי הפסקת ייצור המאלוניל. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 154 האנזים הוא דימר בעל תת יחידה של 230 קילודלתון .במצב דימר האנזים לא פעיל; עליו לעבור פולימריזציה המתרחשת בנוכחות ציטראט. בקרה נוספת היא על ידי חומצות שומן ארוכות, שלא מגיעות לשום מקום ומעכבות את התהליך על ידי זירוז פירוק הפולימר – נוכחותן מעידה על יעילות יתר של הביוסינטזה ולכן צריך לעכב את התהליך. ההורמונים גלוקגון ואפינפרין מביאים לזרחון האנזים .הזרחון גורם לפירוק הפולימר .שני ההורמונים האלה מתאימים למצבי לחץ :אפינפרין דורש אנרגיה לשריר במאמץ והגלוקגון מציין רעב לגלוקוז .בשני המצבים אין צורך בבניה של שומנים אלא בפירוק גליקוגן .על מנת למנוע שימוש בגלוקוז לבניית שומן תהליך הביוסינטזה מעוכב על ידי הורמונים אלו. האינסולין ,כמו ציטראט ,משרה הפעלה של הליאז .האינסולין נוכח בעודף גלוקוז ועוזר לאגירת העודפים .הוא משרה פירוק של ציטראט לאצטיל CoA-כדי למנוע מציטראט לעצור את הגליקוליזה. הארכת שרשרת והכנסת קשרים כפולים המערכת מייצרת חומצות שומן בסיסיות בנות 16פחמנים רוויים; יצירת ווריאנטים למולקולות חומצות השומן נעשית על ידי שינויים בחומצה הבסיסית הזו. • הארכה – נעשית על ידי אותו עקרון ,אולם לא בציטוזול אלא ברטיקולום האנדופלזמטי החלק ) .(SERהעקרון דומה ,התוצרים אינם קשורים ל ACP-אלא ל.CoA- • דה-סטורציה – היות ובהארכה מוסיפים מולקולות אצטיל ,קופצים ישר מ 16-ל .18-שרשרת -18 פחמנית אפשר להאריך עוד או לעשות לה דה-סטורציה )אי-הרוויה( .הדה-סטורציה דורשת מספר שלבים. • דה-סטורציה של יותר מקשר-כפול אחד – בעלי חיים אינם מסוגלים לייצר חומצות שומן עם יותר מקשר כפול אחד ,אך אין זה אומר שחומצות שומן כאלו ) (polyunsaturatedאינן נדרשות בגופם. חומצות שומן עם שני קשרים כפולים מגיעות מהמזון )מיוצרות בשומן צמחי ,בצמחים( ונצרכות בתהליכי דה-סטורציה נוספים ,ליצירת חומצות כמו אומגה 3-ואומגה.6- • • הוריאציות של חומצות השומן הן הארכה ודה-סטורציה שמתרחשות ב .SER-ההחלטה לאיזה מסלול תלך החומצה הבסיסית היא בהתאם לסיגנלים הנקלטים באותו הרגע. דה-סטורציה ,יצירת קשר כפול ,נעשית בדה-הידרוגנציה על ידי הוצאת מימן מכל פחמן בין שני פחמנים סמוכים ,ליצירת קשר כפול ביניהם .האנזים המתווך הוא דה-סטוראז .המימנים יוצאים כפרוטונים ומשמשים לחיזור חמצן למים על ידי ציטוכרום בשרשרת הנשימה. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :21ביוסנטזה של ליפידים 155 אקוזנואידיים )(Eicosnoids קבוצה גדולה של מולקולות שתפקידן בהעברת סיגנלים ויכולות להשפיע על רקמות התאים שיצרו אותן ,תאים סמוכים ברקמה או רקמה אחרת בגוף. הסינטזה מתחילה בחומצה אראכידונית. החומצה נמצאת בממברנה בצורת ארכידונאט; האנזים פוספוליפאז A2 )אנזים שמפרק פוספוליפידים( חותך מתוך הארכידונאט את החומצה האראכידונית .החומצה האראכידונית מכילה 20 פחמנים וארבעה קשרים כפולים בעמדות 11 ,8 ,5 ו .14-בשלבים הבאים פעיל האנזים – COX ציקלו-אוקסי-גנאז. תחילה האנזים משתמש בחמצן מולקולארי לצורך סגירת טבעת ומדביק אותו בשני אתרים– אחד בטבעת ושני באחד הפחמנים ליצירת פרוקסיד. בהמשך הפרוקסיד מפורק על ידי פרוקסידאז, פונקציה נוספת של .COXהפרוקסידאז הופך את הפרוקסיד להידרוקסיד ,ויוצר את .PGH2 14 מולקולת PGH2מזורזת על ידי שני איזוזימים שונים של ,COXבתלות במיקומה: • COX1פעיל בקיבה ואחראי לסינטזה של פרוסטגלנדינים ,המפקחים על סינטזת מוצין ,פולימר סוכרי שמגן על שכבת המוקוזה של מערכת העיכול מפני החומציות של הקיבה ומונע כיבים. • COX2אחראי לסינטזה של פרוסטגלנדינים שמתווכים ביצירת חומרים האחראים לדלקת ,כאב וחום – מצבי טראומה למערכת בהם היא מגיבה בסימני אזהרה. תרופות אנטי-דלקתיות לא-סטרואידיות היום יש תרופות אנטי-דלקתיות לא-סטרואידיות ) (NSAIDSשאמורות לעכב את COX2כדי לסלק תופעות אלו ,דוגמת אספירין ,אצטמינופן ואיבופרופן .תרופות אלו החליפו את התרופות האנטי-דלקתיות הסטרואידיות ,שלמרות יעילותן הביאו לתופעות לוואי מרובות. האספירין או קרוביו מגיבים עם ,COXנקשרים לאתר הפעיל שלו דרך סרין ואז מעבירים קבוצה אצטילית לסרין .קשר קוולנטי נוצר ומנטרל את הסרין ,בכך פוגע בתפקוד אתר הפעיל של .COXעל ידי עיכוב זה לא נוצרות תופעות הכאב והחום. 14איזוזימים = איזו-אנזימים ,שני אנזימים עם מבנה מולקולארי דומה אך פעילות שונה. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב 156 ביוכימיה א' -שיעור אחת התרופות הראשונות בשימוש הייתה ,VIOXXאשר הביאה לתופעות לוודאי של התקפי לב ושבצים .התברר שתופעות אלו הופיעו באנשים בעלי דלקות פרקים ,שלקחו את התרופה לפרק זמן ממושך ובכמויות גדולות .כך התברר שהבעיה העיקרית בתרופה היא בשימוש יתר ממושך בה. כיום יש צורך למצוא דורות חדשים לתרופה ,בין היתר כדי לעכב את COX2בלי לעכב את – COX1 כי כאשר אנשים נטלו אספירין לפרק זמן ממושך נראה שהם נוטים ללקות באולקוסים .הסיבה היא שהאספירין עושה את פעולתו באופן לא-ספציפי ומעכב גם את ,COX1בכך פוגע בייצור מוצין .בשלבים המתקדמים יותר ינסו לעכב ספציפית לגמרי את .COX2 חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :22ביוסינטזה של ליפידים – המשך 157 שיעור :22ביוסינטזה של ליפידים – המשך טריאציל גליצרולים ופוספוליפידים כדי טריאצל לסנטז גליצרול ופוספוליפידים צריך גליצרול ולכן התהליך עובר דרך גליצרול-3-פוספט ) .(G3Pה G3P-מופק מגליצרול ,על ידי גליצרול פוספט, או מדיהידרוקסיאצטון פוספט שמקורו בגליקוליזה ומחוזר על ידי -G3P דהידרוגנאז. שימו לב שאלו מסלולים שמתרחשים במקביל ומה שחשוב הוא התוצר הסופי! מולקולות אינן נעות במסלולים ,כבישים או מעגלים אלא שוחות בציטוזול ומשתתפות במגוון תהליכים שיכולים ללכת לכל מיני כיוונים ,בהתאם לצורכי התא ומנגנוני פיקוח הפועלים בו. לאחר שמתקבל ,G3Pלפי עקרון התפצלות מסלולי הביוסינטזה ,15בשלב הראשון יהפוך G3P פוספטידית, טריגליצרולים ממנה או ניתן לחומצה לעשות פוספוליפידים. בתהליך הזה מבצעים אסטריפיקציה לשתי חומצות שומן ומחברים כל חומצת שומן ל.CoA- החיבור לאצטיל CoAלא קובע תוצר :הוא יכול לאפשר פירוק או סינטזה של המולקולה ,בתלות ההאחרים והפיקוח בסיגנלים הקיימים בתאים. אם האצטיל לא ייכנס למיטוכונדריה )פירוק( ,הוא יילך לסינטזה .בעזרת האנזים אציל טראנספראז מחברים כל מולקולה כזו ל G3P-ליצירת חומצה פוספטידית. 15עקרון ההתפצלות קובע שאם חומר Xיכול להוביל לתוצר Aאו ,Bאזי חומר Xיסונטז לבטח והתוצרים Aאו Bיסונטזו בהתאם לצורכי התא. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב 158 ביוכימיה א' -שיעור החומצה הפוספטידית יכולה להמשיך לטריגליצרולים או לפוספוליפידים. בשביל טריגליצרולים צריך להחליף את הפוספט ב- G3Pבעוד חומצת שומן ,פעולה המתווכת על ידי פוספאטאז שמוריד את הפוספט ואציל טראנספראז שמצמיד חומצת שומן נוספת. בשביל פוספוליפידים צריך לחבר לפוספט ראש הידרופילי – שורה של מולקולות הידרופיליות שונות ,כאשר הסובסטרט המתאים יגיע בהתאם לצורכי התא. רגולציית הסינטזה של טריאציל גליצרולים טריגליצרולים מסונטזים מעודפים של חומרי מזון – חומצות אמינו ,סוכרים וחומצות שומן .הפיקוח העיקרי על הסינטזה ,הפירוק ותגובת התא הכללית לסובסטרטים נעשה על ידי אינסולין .אינסולין מתווך את כניסת הגלוקוז ,היפוך של אצטיל CoAוזירוז סינטזה של חומצות שומן. אם צורכים הרבה סוכרים הגליקוגן קולט מעט מהן ,ולכן אותו האנזים שמפעיל את סינטזת הגליקוגן יפעיל גם את יצירת חומר התשמורת התקני – השומנים. כולסטרול ונגזרותיו הכולסטרול חשוב להורדת הנזילות ) (fluidityשל המממברנה .הוא נכנס בין חומצות שומן לא-רוויות שמגבירות את נזילות הממברנה ומוריד אותה; הנזילות נחוצה לתאים ,אבל במידה ולכן הכולסטרול נכנס לממברנה כך שתתאים לצרכי תאי הרקמה. הכולסטרול משמש מקור לסינטזה של חומרי תא רבים ,כמו הורמוני מין וויטמין .Dהוא גם חומר מוצא למלחי מרה ,המעורבים בפירוק שומנים במערכת העיכול .כולסטרול יכול להפוך לאסטר על ידי אנזימים ממשפחת ACATו ,LCAT-המבצעים אסטריפיקציה בין חומצת שומן מטריגליצרול או פוספוליפיד כלשהו ל OH-של הכולסטרול. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :22ביוסינטזה של ליפידים – המשך 159 הסינטזה באיור הבא מופיעה מולקולת הכולסטרול .גם מולקולה זו נבנית בסבלנות מהרבה יחידות של אצטיל .CoAהסינטזה צורכת מאצטיל CoA-את האצטאט ולפי הצבעים באיור אפשר לראות אילו פחמנים מגיעים מהקרבוקסיל של האצטאט ואילו מהקבוצה המתילית. בעקרון ,הסינטזה מתחילה בייצור שרשרת וממשיכה בהוספת שיירים צדדיים. בסינטזה של גופים קטונים חוברו שני אצטילים ועוד מולקולה ליצירת .HMG-CoAניתן לחזר את HMG- CoAעל ידי רדוקטאז ,המשתמש ב- NAD(P)Hלקבלת .Mevalonate ממשיכים לחבר פחמנים עד לקבלת כולסטרול. רגולציה הצעד קובע המהירות בסינטזה הוא באנזים הרדוקטאז ,והפיקוח עליו מאוד חמור .במהלך האבולוציה ,הובן כי עודף כולסטרול אינו טוב – אך כך גם חוסר בכולסטרול ,בשל תפקוד הממברנות והתוצרים הנגזרים ממנו .לכן חשוב שכל הזמן יהיה כולסטרול במקום ובכמות המתאימים .קיימות מערכות בקרה והובלה מתוחכמות של הכולסטרול וכל תקלה היא פתולוגיה חמורה. אם יש הרבה אצטיל CoAולא צריך כולסטרול, אצטיל CoA-יישלח לביוסינטזה של חומצות שומן או גופים קטונים .רק אם צריך כולסטרול המסלול ימשיך מ HMG-CoA-לכולסטרול .הפיקוח הזה חמור מאוד: • כולסטרול בלתי מאוסטר – כולסטרול כזה קבור בתוך ליפידים ,במאגרים שלו ,בממברנה – לא במקום בו צריך אותו לתפקוד .כאשר זה בעודף ,עקב קליטה במזון או מסינטזה ,הוא מזרז את פירוק הרדוקטאז – הדרך הבטוחה להבטיח שהאנזים לא יעבוד .בצורה כזו לא יהיה המשך סינטזת הכולסטרול )יסתיימו סינטזות שהתחילו(. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 160 כמו כן יש עיכוב של סינטזת ה mRNA-של הרדוקטאז ,על מנת למנוע ממולקולות חדשות של האנזים להיווצר. במקביל מופעלת אסטריפיקציה המזרזת איחסון הכולסטרול באתרים בהם הוא לא גורם לנזק וכן ירידה בטרנסקריפציה של הגן המקודד לLDL - ,Receptorהמכניס את LDLלתאים וכך קטנה גם כניסת הכולסטרול מהדם לתאים. • מודיפיקציה קוולנטית • גלוקגון – מזרז פוספורילציה שמנטרלת את רדוקטאז. • אינסולין – מזרז דה-פוספורילציה שמפעילה את רדוקטאז. קולסטרול מהווה חומר מוצא למרכיבי תא רבים הכולסטרול הוא אלמנט חשוב לתהליכי ביוסינטזה של הורמונים שונים .בהתאם להעקרון התפצלות הביוסינטזה ,ההורמון פרוגסטרון הוא חומר מוצא לחומרים שונים ולכן הכולסטרול יוצר פרוגסטרון וממנו יוצאים לחומרים מגוונים ושונים. העקרון :חשוב שיהיה כולסטרול זמין לתהליכי הביוסינטזה .השאלה האם ניצור את החומרים תלויה בפיקוח ,כי ההורמונים לא מיוצרים בכל האיברים ובכל זמן. חשובים האיבר בו המערכת מתבטאת והפיקוח על הסינטזה באותו איבר. בתרשים )ובאיור בעמוד הבא( מופיעות דוגמאות להורמונים הנגזרים מפרוגסטרון והמשותף להם הוא הגרעין הסטרולי והם נבדלים במתמירים הנמצאים במקומות שונים .יש גם תרופות סטרואידיות שהן לפעמים יותר חזקות מתרופות לא-סטרואידיות ,אבל בגלל הדמיון להורמונים הן גורמות לתופעות לוואי. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :22ביוסינטזה של ליפידים – המשך 161 תוצר אחד של כולסטרול הוא ויטמין .Dבמשך שנים ראו שבגטאות ,כשהילדים לא היו חשופים לשמש ,הם סבלו ממחלת הרככת – העצמות לא נבנו כמו שצריך והם לא יכלו ללכת .אם לא טיפלו בבעיה כל הגוף שלהם היה מעוות כי העצם לא הייתה נבנית באופן תקין. ויטמין Dמתחיל את הסינטזה מכולסטרול אבל בשביל להגיע לנגזרות הפעילות של הויטמין צריך קרינת אור שתשנה את מבנה המולקולה באופן שלא יכול להיעשות על ידי אנזים .החשיפה לאור מאפשרת את הביוסינטזה ,כי הכבד מספק את הכולסטרול במערכת תקינה. בשנים האחרונות התעוררה בעיה בויטמין ,Dכיוון שילדים היום יושבים בעיקר בבית – עם מחשבים וטלוויזיה – במקום לצאת החוצה לשחק .באותם ילדים נמדדו רמות נמוכות של ויטמין ,Dכמו גם באוכלוסיות של דתיים שמסתובבים מכוסים לחלוטין ולכן גופם לא חשוף לאור השמש. הויטמין מתפקד במערכות מגוונות ולכן העלו את רף הויטמין התקין .היום מבצעים באופן סטנדרטי בדיקות לרמות ויטמין Dועליית הרף מביאה לכך שאנשים רבים לוקחים אותו כתוסף ,בלי קשר למידת החשיפה לשמש. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 162 איזופרנואידים אחד מתוצרי הביניים של סינטזת הכולסטרול הוא הוא האיזופנטניל ,ממנו יש התפצלות לחומרי תא רבים – בעיקר בצמחים אך לא רק .אם אפשר לסנטז חומרים רבים מאבן בניין אחת ,האבולוציה תפתח מסלול לאותב אבן בניין והתפצלות לכל הכיוונים שאליהם אפשר ללכת מאותה נקודה והלאה. באיור ניתן לראות את התוצרים השונים .כאן יש פחות שימור של הטבעת ,אולם יש לזכור שאלו לא נגזרות של הכולסטרול אלא של המולקולה שממנה נגזר הכולסטרול. פתולוגיה של כולסטרול הפתולוגיה הזו מתבטאת בחסימה של כלי דם .משקעים של LDL מתחילים להיווצר בדפנות כלי דם ,לרוב עקב הפרעה בכלי הדם. השקיעה מתחילה מנגנון המזרז שקיעה נוספת ,עד שכלי הדם נסתמים לחלוטין .החסמים האלה מכונים פלאקים .החסימה הזו מובילה להתקפי לב ושבץ מוחי – שתי המחלות המובילות ,לצד סרטן ,את המוות בעולם המערבי. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :22ביוסינטזה של ליפידים – המשך 163 אחת הסיבות שיש שקיעת כולסטרול אינה הכולסטרול עצמו אלא חימצון של ה LDL-על ידי רדיקלים חופשים של חמצן ,הנוצרים בדם כל הזמן .הרדיקלים נוצרים על ידי הברזל הדו-ערכי בהמוגלובין שמייצר סופרוקסיד ועל ידי תאי דם לבנים שבפעילותם מייצרים רדיקלים .כאשר LDLמתחמצן הוא נבלע על ידי מאקרופאגים והללו הופכים ל"תאי קצף" כי הם לא יכולים לעכל את ה .LDL-תאים אלו הם מרכיב חשוב ביצירת הפלאקים ,ולכן הכולסטרול שבתוך LDLמכונה "כולסטרול רע" ,HDL .לעומת זאת ,שלוקח כולסטרול עודף מהרקמות והדם ומחזירו לכבד ,מכונה "הכולסטרול הטוב". כאשר התחילו לדבר על ליפידים בדם כגורם סיכון למחלות לב ,דיברו על צורך בהורדה של ליפידים וכולסטרול בדם .בשנים האחרונות הבינו שהבעיה אינה סך הכולסטרול אלא היחס בין LDLל.HDL- הרפים העליונים בבדיקות דם מבוססים על מחקרים אפידמיולוגים שעוקבים אחר אוכלוסיות ענקיות של אנשים ובודקים את הקשר בין ממצאי בדיקות הדם לפתולוגיות .בצורה כזו מתקבלים גם גורמי סיכון וגם רפים עליון ותחתון. יש פתולוגיות בהן גם אם לא יאכלו כולסטרול כלל ,למטופל תהיה רמה גבוהה של כולסטרול בדם ,משום שאחת ממערכות הפיקוח התקלקלה )למשל חוסר פעילות של ה.(HNG-reductase- פאמיליאל היפרכולסטרמיה היא מחלה תורשתית בה רמת הכולסטרול בדם גבוהה מדי עקב פגם בLDL- רצפטור .במקרה זה ה LDL-לא נקשר לתאים אליהם הוא צריך להיקשר ומצטברות רמות גבוהות של LDLבדם .הומוזיגוטים למחלה הינם בעלי 680מיליגרם LDLבדם ,ולכן יש בהם שמתים מהתקפי לב כילדים. במחלות אחרות יש רמות נמוכות מדי של HDLהנובעות ממוטציות בחלבונים מסויימים .גם זה יוצר בעיה כי חייב להתקיים איזון בין LDLו.HDL- הטיפול צריך להיות בשלוש רמות: • דיאטה ענייה או חסרת כולסטרול – אין כולסטרול בצמחים ולכן ניתן לעשות דיאטה ענייה בבשר מהחי ,על מנת להפחית את כמות הכולסטרול בתזונה. • תרופות המונעות ספיגה של מלחי מרה – גורמות לגוף לבזבז כולסטרול בצורה יעילה .היות ומלחי מרה נגזרים מכולסטרול ,התרופה גורמת לגוף לייצר יותר מלחי מרה כי המלחים המשומשים שמגיעים לסוף המעי דק לא נספגים חזרה ולא ממוחזרים .התרופה מונעת ספיגה של מלחי מרה מהמעי הגס והלאה. • עיכוב הסינטזה – סאטינים הן מולקולות שדומות לתוצר הרדוקטאז .הן גורמות למשוב שלילי המעכב את פעילות הרדוקטאז .זה טיפול לאנשים בהם הפיקוח לא עובד ולא אנשים שפשוט צריכים דיאטה נטולת כולסטרול. בתחום זה מפתחים כל העת תרופות חדשות כי הן לא ספציפיות ולכן יכולות להזיק לכבד ,לשרירים וכדומה. אנשים שנוטלים את התרופות עוברים בדיקות כל כמה חודשים לוודא שאין פגיעה בתפקודי ככבד או כליות. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 164 שיעור :23מטאבוליזם של חלבונים וחומצות אמינו חלבונים הם פולימרים של חומצות אמינו .בפירוק חלבונים יש להפריד בין פירוק במערכת העיכול לפירוק ברקמות אחרות. לא נדון בסינטזה של חלבונים מחומצות אמינו ,אולם כן נעסוק בתוצרי הפירוק של חומצות אמינו – חנקן, פחמן וכדומה .היות וחנקן הוא"שחקן חדש" בזירה ,נראה גם מנין הוא בא לאן הוא הולך. מבט כללי על פירוק של חלבונים וחומצות אמיניות החלבונים מגיעים משני מקורות :מהמזון ) ,(Dietary proteinsאז הם מגיעים למערכת העיכול ונספגים על ידי פירוקן למונומרים – חומצות אמינו; או מחלבונים תוך-תאיים המתפרקים לחומצות האמינו מהן הם מורכבים .חומצות האמינו מתועלות לסינטזת חלבונים או לפירוק ,תהליך המסלק את האמוניה ומשתמש בשלד הפחמני בצורת קטו במעגל קרבס או כמקור לאצטיל CoAהנאגר בחומצות שומן וטריגליצרולים. כאשר צריך אנרגיה לרוב משתמשים בחומצות השומן ובגליקוגן ,אולם כאשר מאגרי הסוכרים נגמרים לצד פירוק שומנים מתחיל גם פירוק חלבונים – משום שמחומצות שומן לא ניתן ליצור גלוקוז ,ובצום של 24שעות חובה למצוא אספקת סוכר כמקור אנרגיה עבור המוח. גם באדם שמן מאוד יתחיל פירוק חלבונים על מנת לספק גלוקוז למוח בין התחלת הרעב לתחילת השימוש בגופים קטוניים לאחר כמה ימי הרעבה. תוצרי מעגל קרבס יכולים ללכת לסינטזת גלוקוז אבל אין חובה לעבור דרכו לצורך כך; האמוניה יכולה להישאר במערכת ולשמש לתהליכי סינטזה של חומרים המכילים חנקן ,ואם אין צורך בה היא מסולקת דרך מעגל האוראה )המתקשר גם עם תוצרי הביניים של מעגל קרבס(. חלבונים המגיעים מהמזון פולימר החלבון אינו ניתן לספיגה .עליו להתפרק במערכת העיכול ואז תוצרי הפירוק צריכים לחדור את ממברנות האפיתל ,להיכנס למחזור הדם ,ולהיות מוסעות לרקמות הגוף. כאשר חלבונים מגיעים לקיבה ,עובר סיגנל דרך ההורמון גסטרין המשרה הפרשה של HClופפסינוגן. חומצת HClמיועדת לביצוע סטריליזציה של המזון ממיקרואורגניזמים וגם לאספקת סביבה חומצית לפעילות האנזימים מפרקי המזון של הקיבה – החומצה עושה דה-נטורציה לחלבוני המזון כדי לספק גישה טובה יותר לאנזימים הפרוטיאוליטים. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :23מטאבוליזם של חלבונים וחומצות אמינו הפפסינוגן הוא זימוגן 16 165 הנמצא במצב לא-פעיל – יש לו חתיכה עודפת בקצהו אשר מונעת ממנו פעילות; כאשר הגסטרין מסיר חתיכה זו ,הוא משופעל והופך לפפסין. פפסין הוא אנזים מיוחד שהpH- האופטימלי שלו הוא – 2בpH=4- הוא כבר כמעט לא פעיל. הפפסין פעיל רק בקיבה ,בה מופרשת חומצה חזקה כמו ה.HCl- אם הוא לא פעיל כבר ב pH=4-הרי שהוא לא יוכל לפעול בשום מקום אחר )דוגמת המעי אליו הוא מגיע יחד עם ה.(bile- הפפסין יוצר פפטידים מקוצרים של החלבונים כד לייעל את העבודה בהמשך הדרך. במעבר המזון למעי ,שם אין צורך בסביבה החומצית ,מופרש מהלבלב לדאודנום אנזים הסקרטין ) (secretinהמשרה הפרשה של NaCO3 שתפקידו לסתור את החומצה ולנטרל את הסביבה .כאשר החלבונים מתקדמים במעי מופרש הורמון נוסף, גולציסטוקינין ,המשרה פרשה של זימוגנים לא-פעילים נוספים מהלבלב )טריפסינוגן ,כימוטריפסינוגן, פרוקאבוקסיפפטידאז Aו .(B-זימוגנים בודדים שהם כן במצב פעיל מצליחים להפעיל את האחרים וכולם יחד מפרקים את שרשרות חלבוני המזון המקוצרות לחומצות אמינו בודדות ,המגיעות בהמשך ל- microvilliשל המעי הדק ,שם הן נספגות לתאי האפיתל ולמחזור הדם .לאחר הספיגה הן מועברות בזרם הדם לכבד ,שם תתקבל ההחלטה לאן ימשיכו. אנזימי הלבלב מופעלים במעי רק לאחר הפרשתם מהלבלב; אם הם יופעלו בלבלב הם יעכלו אותו. במחלה acute pancreatitisזה בדיוק מה שקורה – האנזימים מיוצרים שלא כראוי .למחלה אין מרפא; ה"תרופה" היא הוצאת הלבלב ,תהליך שלאחריו המטופלים יכולים להמשיך לחיות עם אספקה חיצונית של תוצרי הלבלב – אינסולין ,מלחי מרה ,פרוטאזות וכדומה. בהתאם לעקרון המיחזור ,גם האנזימים הפרוטאוליטים מפורקים במעי על ידי אנזימים פרוטאוליטיים – וחומצות האמינו שהרכיבו אותם נספגות בתאי האפיתל ומוחזרות לגוף. 16זימוגן הוא אנזים אשר המעבר בין מצבו הפעיל ללא פעיל נעשה על ידי חיתוך פרוטיאוליטי ,ולכן לכאורה המצב הפעיל והמצב הלא-פעיל הם שני "אנזימים" שונים .מרבית האנזימים המפרקים הם זימוגנים ,הנמצאים במצב לא פעיל ברקמות עד שהם משופעלים במצבים בהם פעילותם נדרשת ,על מנת לוודא שלא יבצעו פירוק שלא לצורך ,או שהם סגורים בליזוזום. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 166 ההפעלה מבוצעת על ידי חיתוך פרוטאוליטי של קשר אחד או שניים בחלבון המיועד להפעלה .התרשים מראה כיצד האנזים האחד מפעיל את השני – טריפסינוגן מופעל ויוצר טריפסין, המפעיל כימוטריפסינוגן ופרוקרבוקסיפפטידאז וכן הלאה. באיור מוצגת דוגמה של מבנה הכימוטריפסינוגן על נקודות החיתוך שלו שמאפשרות ,לאחר החיתוך בהן ,קיפול בהתאם לצורתו הנאטיבית של החלבון ופעילות בתור כימוטריפסין. למטה :התהליך כולל האנזימים המעורבים – גם בהפעלה של כימוטריפסין וגם בהפעלה של טריפסין .שימו לב שהטריפסין הפעיל מעורב בהפעלה של כימוטריפסין. חומצות אמינו מפירוק חלבוני התא פירוק חלבוני התא לחומצות אמיניות ייעשה: • כאשר אין מספיק חומצות אמינו לסינטזת חלבונים – למשל בזמן רעב או צום. • במסגרת פירוק וסינטזה טבעיים של חלבונים בתא – בהתאם לאורך החיים של החלבון או מצבו, חלבונים מתפרקים באופן טבעי בתאים .חומצות האמינו מפירוקים אלה משמשות לסינטזת חלבון במידת הצורך או לפירוק לקבלת אנרגיה /אגירה בצורת שומנים. • כאשר במזון יש יותר חלבון מאשר נחוץ .לא ניתן לאגור חלבונים. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :23מטאבוליזם של חלבונים וחומצות אמינו 167 שימוש בחומצות אמינו – סילוק או ניצול לאנרגיה פירוק חומצות אמינו מתחיל בסילוק החנקן ואז טיפול באלפא-קטו שנוצר מהם .החנקן מודבק לאלפא-קטו גלוטראט לקבלת גלוטמאט וחומצת קטו מתאימה )מחומצת האמינו ממנה סולק החנקן( .במידה והאמוניה לא מנוצלת לסינטזה היא תופרש ,למשל בצורת אוראה. השלד הפחמני הוא חלק ממערכת התנקזות המסלולים שכבר ראינו – כאשר משנים את המולקולה במעט על מנת שתוכל להיכנס למעגל קיים .המסלול הקיים הנפוץ בפירוק הוא קרבס .חומצות אמינו נכנסות דרכו לסינטזה של גלוקוז. חומצות האמינו מחולקות לשלוש לפי היכולת לסינטזת גלוקוז מהן: • חומצות גלוקגניות )ירוק( – תרכובות שיכולות ללכת לגלוקוניאוגנזה ולקבלת גלוקוז. • חומצות קטוגניות )כחול( – תרכובות שמפיקות רק acetyl CoAולכן לא ניתן לקבל מהן גלוקוז. גלוקוז ניתן להפיק רק ממולקולות בנות -3פחמנים ומעלה ,ולכן Acetyl-CoAלא יכול לתת גלוקוז. שימו לב שאמטואצטיל CoA-היא החריגה ,למרות שהיא מולקולת -4פחמנים לא נית לקבל ממנה גלוקוז כי היא מתפרקת לשני .Acetyl-CoA • גם גלוקגניות וגם קטוגניות – נותנות Acetyl-CoAמחד ומולקולה שיכול ללכת לסינטזת גלוקוז מאידך .זוהי חומצה שאינה אבודה מבחינת הגלוקוניאוגנזה. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 168 סילוק האמוניה סילוק האמוניה בכבד יונקים מפרישים אוראה; יצורים שמפרישים אוראה מכונים אוראוטליים – ובהם נמנים רבים מהחולייתנים היבשתיים וגם כרישים .מפרישי האמוניה הם בעיקר חולייתנים ימיים ולארבה של דו-חיים. העופות והזוחלים מפרישים חומצה אורית. הקבוצה האמינית הופכת לחנקן של גלוטמאט .באיור )שמאל למטה( המגיבים נמצאים בצד שמאל –חומצה אמינית כלשהי ) (Rואלפא-קטוגלוטראט. חומצת האמינו מועברת לאלפא-קטוגלוטראט כך שהיא הופכת לגלוטמאט ומחומצת האמינו נותרת חומצת אלפא-קטו .התהליך מתווך על ידי קבוצת אנזימים המעבירים קבוצה אמינית בין חומצת-אמינו לאלפא-קטוגלוטראט .האנזימים משתמשים בויטמין B6באתר הפעיל שלהם .כאשר הקבוצה הפרוסטטית B6מקבלת קבוצת אמינו היא מעבירה אותה לאן שצריך. הפירידוקסל פוספט ),PLP הקואנזים (B6קשור בקשר לא-קוולנטי )בסיס שיף( לליזין ,דרך קבוצת NH2תוך יצירת אימין .התהליך נעשה בהתקפה נוקליאופילית הדוחסת אימין וקושרת את הקבוצה האימינית .אולם ,האימין של הליזים עסוק כי הוא קשור לפחמן; צריך לסלק אותו על מנת שיוכל לקשור את החנקן. לאחר כמה התקפות והעברות אלקטרונים ,מתקבל PLPשקשור לקבוצה האמינית של ליזין ,והאמין נלקח מהקבוצה האמינית .ה PLP-קשר קבוצה אמינית כך שבהמשך נשאר מליזין רק אלפא-קטו .חומצת האמינו מועברת ל .α-Keto-Glut-תהליך יצירת הגלוטמאט על ידי קשירת האמוניה נעשה במסלול הפוך של האנזים. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :23מטאבוליזם של חלבונים וחומצות אמינו 169 החנקן מתנקז לגלוטמאט וכעת צריך לסלק אותו .הוצאת האמוניה נעשית על ידי גלוטמאט דהידרוגנאז המתשתמש ב NADPH-או NADPלדה-אמינציה חמצנית .בשלב הראשון יש חימצון של קשר כפול לחנקן ,ובשלב שני יוצאת אמוניה ומקבלים אלפא-קטו גלוטראט .אלפא קטו גלוטראט נמאצ באיזון בין האמוניה לקליטתה .כעת ניתן לנקז את כל החנקנים למולקולה אחת וממנה לסלק את האמוניה. סילוק האמוניה בשאר הרקמות ברקמות שאינן הכבד גם צריך לנקז אמוניה ,ולכן משתמשים שוב באותו שלד פחמני .מכיוון שיש כאן גלוטמאט ,מדביקים עליו עוד קבוצה אמינית )ה R-של גלוטמאט מכיל קרובקסיל המאפשר קשר אמידי( .פעולה זו נעשית על ידי גלוטאמין סינטטאז .בשלב הראשון משתמשים בגמא-קרבוקסיל של גלוטראט והקשר בין החמצן לפוספט הוא אנ-הידרידי. כאשר הקרבוקסיל מופעל הוא יכול לעבור סילוק פוספט להפקת גלוטמין .אם הגלוטמין בעודף ,ואין בו צורך ,גלוטמין יגיע לדם ומשם לכבד ,שם ישחרר את הקבוצה האמינית )בתיווך אנזים גלוטמינאז( שתועבר למיטוכונדרה לצורך ניצולה כאמוניה או הפרשתה כאוראה. לא ,גם לי אין מושג מה כתוב פה. פתולוגיות במסלולי פירוק חומצות האמינו מכיוון שהמטאבוליזם של חומצות האמיניות מערב אנזימים לחומצות אמיניות שונות ,יש מחלות תורשתיות עם פגמים באנזימים האלו )ראו טבלה(. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב 170 ביוכימיה א' -שיעור אחת המחלות הנפוצות ביותר היא הפניל קטון-אוראה ,שהחולים בה לא יכולים להפוך פנילאלאנין לקטו-פניל .ביטוי המחלה נבדק כבר לאחר הלידה ,כי זה גורם לתינוק להקאות ופגמים בהתפתחות – אם לא מטפלים בילדים מיד עם הלידה זה גורם לפגמים בהתפתחות המוח ולפיגור מוחין .אנשים אלו צריכים להימנע מפנילאלאנין והם מקבלים תערובות של חומצות אמינו במקום חלבונים מהמזון. ממתיק האספרטיים הוא דיפפטיד של חומצה אסרטיד ושל פנילאלאנין ופירוקו בגוף מזיק לחולים אלו .מכיוון שכך יש אזהרות לחולים על משקאות דיאטטיים. הקשר פאתולוגי אחר של אנזימים המטפלים בחומצות אמיניות הם האמינוטראנספראזות .הללו משוחררים לדם במחלות כבד או לב כי הם נמצאים בתאי איברים אלו ,ואם יש נזק לתאים תוכנם נשפך לדם .בדיקה של האנזימים בדם מהווה מדד לנזק לשריר או לכבד ) ALTאו ASTבבדיקות הדם(. שימושים נוספים חומצות האמינו משמשות לבניית חלבונים או לפירוק ושמירה במאגר שומן .אולם ,זה לא הדבר יחיד: אנחנו צריכים גם חנקנים לצורך סינטזת מולקולות אחרות בגוף ,כמו נוירוטרנסמיטורים ,קבוצות ה- ,Hemeהיסטמין ,NO ,ספרמין וספרמידין ,נוקליאוטידים ,וקריאטין פוספט – המאגר המשני לאנרגיה בשריר. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :23מטאבוליזם של חלבונים וחומצות אמינו 171 חומצות האמינו מסונטזות משלד בסיסי מסויים אשר על ידי תוספות שונות הופך לחומצות אמינו שונות – וכך יש גם חלוקה למשפחות ,לפי האלפא-קטו עליו מבוססות חומצות האמינו .הסינטזה מפוקחת עם מנגנוני משוב. פירוק חלבוני תא בתוך הגוף יש תחלופה קבועה של חלבונים – סינטזה ופירוק .פירוק חלבוני התא נעשה אם לא צריך את החלבונים או אם לא רוצים אותם ,או אם הם לא מתאימים לתפקידם: • לא מתאימים – פגם בחלבון עקב מוטציה ,טעות בסינטזה ,טעות בקיפול ,טעות במקום הביטוי. • מקולקלים – חלבונים שמתקלקלים עם הגיל או טראומה של חימצון או טמפרטורה .שינוי המבנה של החלבון במהלך הפעילות שלו עשוי לגרום ל"הזדקנות" .כמו כן הוא יכול להתחמצן ,לרוב בתגובה עם רדיקלים של חמצן ,וככל שהגיל מתקדם יותר יש חשיפה ארוכה יותר לרדיקלים של חמצן והצטברות נזקים. • שימור מאגרי חומצות אמינו – שימוש בכמות של חומצת אמינו מסויימת כאשר יש בה חוסר; במיוחד בחומצות האמינו שאיננו יודעים לסנטז וחובה עלינו לקבלן מהמזון. • לא נחוצים – חלבונים מסולקים במסגרת רגולציה )כמו הרדוקטאז של סינטזת כולסטרול( על מנת לשמור על ריכוז מתאים לפי מצב מטאבולי; חלבונים אינדוקטיביים שעולים בהתאם לנוכחות משרן ויורדים בהיעדר המשרן; פקטורי שיעתוק; חלבונים הקשורים במחזור התא; חלבונים הקשורים להתמיינות ותוכניות התפתחותיות ,שצריכים לעלות בשלב מסויים של תהליך ההתמיינות באופן זמני החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 172 להפעלת התהליך בלבד – כדי להתקדם בתהליך יש לפרקם ,מתרחש בתהליך העוברי; חלבונים הקשורים במערכת החיסונית ,מערכת קרישת הדם )שם יש הפעלה פרוטאוליטית של זימוגנים( וכדומה. הטבלה מציגה אורכי חיים של חלבונים לפי נתון זמן מחצית החיים שלהם – הטווחים נעים בין דקות לימים ,שבועות ,חודשים ואפילו שנים. חיי המוגלובין מתוארים כאינסוף לכאורה ,בפועל ההמוגלובין חי את אורך החיים של התא הנושא אותו .חלבוני הקריסטלין בעין נמצאים מהלידה ועד המוות ,אולם בחימצון שלהם על ידי הפוטונים הם יכולים להיפגע וכך נגרמת מחלת הקטארקט. חלבונים שיש להם חלופה גבוהה הם לרוב חלבונים המהווים צעדים קובעי מהירות במסלולים מטאבוליים. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :24מטאבוליזם של חלבונים וחומצות אמינו – המשך 173 שיעור :24מטאבוליזם של חלבונים וחומצות אמינו – המשך בניגוד לחלבונים במערכת העיכול ,פירוק חלבוני התא הינה סלקטיבי ונעשה על ידי סימון .הסימון לפירוק נעשה על ידי חיבור קוולנטי של מולקולות ,ubiquitinוהסימון ליוביקוויטינציה נעשה על ידי כניסה לליזוזום ,סילוק מעכבים או הפעלה. יוביקוויטינציה והפרוטאוזום סמון חלבון ב Ubiquitine-לפירוק בפרוטאוזום היוביקוויטין הוא חלבון קטן ושמור מאוד ,המצוי בכל התאים האאוקריוטים ובכל חלקי התא .החלבון עמיד לחום ותפקידו לסמן חלבונים לפירוק .לאחר שהודבקו לחלבון המיועד לפירוק לפחות 4 יחידות יוביקוויטין הוא מועבר למערכת הפרוטאוליטית של הפרוטאוזום .הפרוטאוזום מכיר רק חלבונים מסומנים ,ולאחר הזיהוי הוא מסיר את היוביקוויטין ומתחיל בחיתוך החלבון. היוביקוויטין משתחרר בשלמותו ועובר לשימוש חוזר. הסימון נעשה בשלושה שלבים על ידי שלושה אנזימים .בתהליך נצרכת אנרגיה – ATPהמפורק ל AMP-ופירופוספט .הATP- נצרך על ידי אנזים בשם ,E1שהוא אנזים האקטיבציה שקושר אליו בקשר סולפיד את היוביקוויטין. בשלב הבא ,היוביקוויטין מועבר מ E1-לאנזים נוסף, E2 ) ,(conjugating enzymeבאופן ישיר .בשלב הבא היוביקוויטין מועבר מחלבון E2לחלבון המטרה ,על גבי שייר חומצת האמינו ליזין .חלבון המטרה קשור לחלבון יוביקוויטינציה נוסף בשם E3 ).(ligase הפרוטאוזום הפרוטאוזום הוא מולקולה גדולה המוגדרת בתור ,26Sכאשר יש לה חלק מרכזי המכיל את הפעילות הקטאליטית של פירוק החלבונים ועוד שני "מכסים" .המכסים הם יחידות רגולטוריות של .19Sדרך אחד הפתחים נכנס החלבון המסומן .היוביקוויטין מוסר מהחלבון שנכנס לאתר הקטליטי במרכז הפרוטאוזום )יחידה של (20Sומהצד השני יוצאים פפטידים קצרים בני מספר חומצות אמינו בודדות .הפפטידים הקטנים מפורקים על ידי פרוטאזות תאיות. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 174 ידועות היום מחלות הקשורות בחוסר תפקוד של רכיב כלשהו במערכת הזו – בין אם אלו האנזימים הקושרים יוביקוויטין או בפרוטאוזום; ביניהן: סרטן ,מחלות נוירודגנרטיביות ,מחלות תורשתיות כמו ,CFתסמונת אנגלמן, תסמונת לידל ותגובות של המערכת החיסונית ודלקות. פירוק חלבונים בתוך הליזוזום הליזוזום הוא אברון תוך-תאי שסגורים בו אנזימים בעלי תפקידי פירוק למרכיבי תא שונים ,מגוונים וחשובים .אסור שאנזימים כאלה יסתובבו חופשי בתא כי הם יחסלו את כל מרכיבי התא החשובים ולכן הם סגורים באברון תוך-תאי אליו מוכנסים האלמנטים הדרושים לפירוק. הסביבה פנימית של הליזוזום בעלת pH=5והאנזימים שבתוכו אינם פעילים ב pH-של הציטוזול; זוהי דרך בקרה להבטיח שהאנזימים ,גם אם ישוחררו מהליזוזום ,לא יוכלו לפעול באותה יעילות בציטוזול .על גבי הממברנה של הציטוזול יש משאבת פרוטונים המכניסה פרוטונים לתוך התא במחיר פירוק .ATP הכניסה לליזוזום מתבצעת כמו כניסה לצוללת ,דרך חדר צדדי ,על מנת להפריד בין המדיום החיצוני לפנימי למניעת ערבוב בין השניים .חלקיק שצריך להיכנס לפירוק – למשל חיידק – מוכנס לתא בפאגוזום ,המועבר אל הליזוזום שם הוא עובר איחוי ממברנות .אלמנטים חוץ-תאיים יכולים להיכנס גם באנדוציטוזה ,על ידי כניסת חומרים בוזיקולה העוברת דרך האנדוזומים המוקדם והמאוחר .שיטה נוספת היא האוטופאגיה ,אכילה-עצמית של התא, בה אברון שלם נעטף ממברנה נוספת – מעין פאגוזום – ומובל לליזוזום לצורך פירוק. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , /שיעור :24אינטגרציה 175 שיעור :24אינטגרציה בתאים מתחוללות אלפי ריאקציות וחלק ניכר מהן קשורות אחת לשנייה; למולקולות אין כתובת למסלול – המולקולות הנוצרות ,האנזימים הפעילים והתהליכים המתחוללים תלויים כולם במנגנוני הפיקוח .יש אלפי תהליכים ,אנזימים וסובסטרטים הנוכחים בו זמנית משני צידיה של כל ממברנה – וזוהי מעין תזמורת ענקית שצריכה לנגן תמיד מבלי לזייף ,כי כל זיוף הוא פתולוגי ויכול להוביל אף למוות .אם יש רעלים ,אם חלבון פגום ,אם חסרים חומרי גלם – הכל צריך להיות מסולק או מטופל. בגוף יש תהליכי קטבוליזם )פירוק( ואנאבוליזם )סינטזה( .תהליכי הפירוק לוקחים חומרים מן החוץ ומבפנים ומפרקים אותם למולקולות קטנות יותר – בין אם לאבני הבניין כמו חומצות אמינו או ממש ליסודות ,פחמן דו-חמצני ,מים וחנקן .בתהליכי האנאבוליזם לוקחים יחידות בסיסיות ובונים מהן את המאקרומולקולות שמרכיבות את התאים .התהליכים האלו צורכים ומייצרים אנרגיה לתא. מסלולים בנייה ופירוק מתפצלים ומתכנסים :בפירוק למשל יש מסלול מרכזי שמפרק חלק מהמולקולות והאחרות עוברות שינוי מינימלי על מנת שיוכלו להיכנס למסלול הראשי .באיור הבא ניתן לראות דוגמה למסלול ראשי של פירוק גליקוגן לאצטיל CoA-וכל המסלולים האחרים המתכנסים לסובסטרט זה; בבניה ,אצטיל CoAיכול ללכת למעגל קרבס אבל גם למסלולים רבים ומגוונים אחרים של ביוסינטזה. העקרון הוא לא לבנות לכל מולקולה מסלול משלה אלא מה שניתן לשתף – משתפים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 176 שיטות פיקוח כדי שהתהליכים יעבדו כשורה צריך להיות פיקוח .הפיקוח נעשה בכל הרמות ,בכל אמצעי אפשרי וככל שהתהליך יותר חשוב ,יותר קריטי ,יש עליו יותר פיקוח .מערכות הפיקוח יכולות להיות ברמת האורגניזם כולו ,ברמת התא וברמת האנזים )הרמה הנמוכה ביותר( .הפיקוחים יכולים להיות ארוכי טווח – שעות או ימים – ויכולים להיות מיידיים. פיקוח לטווח ארוך: נעשה על ידי בקרה ישירה על כמות החלבון המצוי בתא. • סינטזה של אנזימים – הפעלה גנים על ידי אינדוקציה או מניעת הפעלתם על ידי רפרסיה. • פירוק אקטיבי של אנזימים – על ידי אנזימים פרוטאוליטים. הפיקוח המיידי: נעשה על ידי עיכוב או זירוז במנגנון אלוסטרי ,המאפשר לשנות את הפעילות בתוך שניות .קישור של אפקטור אלוסטרי תלוי בריכוז האפקטור ובריכוז הסובסטרט. • פיקוח אלוסטרי • מודיפיקציה קוולנטי – למשל על ידי הוספת פוספט או הורדתו. • פרואנזימים – מולקולות לא פעילות שצריך להפעיל ,דוגמת הזימוגנים של מערכת העיכול. • קומפרטמנטציה )מידור( – דוגמת סגירת אנזימי הליזוזום בתוך הליזוזום ,יצירת מדור מיוחד עבורן; אותו הדבר עבור מולקולות שעוברות תהליכי פירוק או בנייה בתוך המיטוכונדריה. • פולימריזציה – סיגנל שגורם לפילמור של מונומרים של אנזים ,על מנת ליצור קומפלקס שמהווה את המצב הפעיל .סיגנל דיכוי גורם לפירוק הפולימר. ריאקציות בשיווי משקל: אנזימים המזרזים ריאקציות הנמצאות בשיווי משקל אינם ניתנות לפיקוח שכן האנזים לא משפיע על קיומו של שיווי המשקל – הוא רק מזרז את התהליך .הבקרה על תהליכים שכאלה נעשית בתלות בריכוזי המגיבים והתוצרים. פיקוח על פעילות אנזימים יכולה להיות הפיכה או בלתי הפיכה .כל הבקרות שציינו בפיקוח המיידי הן הפיכות למעט הפרואנזימים – אשר לאחר שהופעלו נידונו לפירוק על ידי האנזימים הפרוטאוליטים במערכת העיכול ,ואינם יכולים לעבור דה-אקטיבציה; גם הקומפרטמנטיזציה אינה "הפיכה" שכן היא עניין קבוע. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , /שיעור :24אינטגרציה 177 מנגנוני בקרה מטאבולית פיקוח ברמת האורגניזם נעשה על ידי הורמונים .ההורמונים מנטרים גם רמות הפעלה של אנזימים וגם רמות מטאבוליטים שונות ,העולים במצבים שונים של הגוף ,דוגמת :לחץ דם ,נפח הדם ואיזון אלקטרוליטי ,דיפרנציאציה מינית ,התפתחות ורבייה ,רעב ,וכדומה. המידור הוא בקרה ברמת התא והפולימריזציה ברמת האנזים .תאי דם לבנים ,למשל ,משמשים במידור של רעלנים ומייצרים בתוכם אנזימים לניטרול הרעלן .הם אוגרים פרוקסידים ,חמצנים רדיקלים חופשיים ,וכדי לנטרל אותם מייצרים סופרוקסידים. גם הסופרקוסידים רעילים ויכולים לחדור ממברנות ולכן הם מיוצרים תחת בקרה הדוקה .רק כאשר רעלן או חיידק נקשר לתא הדם הלבן שתי תת היחידות של הסופרוקסידאז – הנמצאות באתרים שונים של התא – מתאחדות ליצירת הסופרוקסידים שהורגים את החיידק וגם את תאי הדם הלבנים )המכונים "קאמיקאזות"( .בריאקציה מעין זו התוצרים הרעילים שיוצרו על ידי תאי הדם הלבנים המתים נשפכים לסביבה ויוצרים דלקת; אולם הדלקת היא משהו שהגוף יודע להתמודד איתו ,על ידי סילוק החומרים במחזור הדם. תהליכי פירוק מתחלקים ל 3-שלבים עיקריים המבנים הפולימריים מפורקים לתת יחידות .תת היחידות יכולות להמשיך לפירוק נוסף עד שהן מתכנסות בצורת אצטיל .CoAאצטיל CoAיכול להיכנס למעגל קרבס, ממנו יוצאים תהליכי ביוסינטזה רבים – כמעט כל תוצר של המעגל יכול לשמש בתהליכי סינטזה וממנו והלאה יש חימצון זרחני .בנוסף אצטיל CoAיכול להגיע למסלולים אחרים ,כמו ייצור חומצות שומן. בתאים יש חומרי תשמורת המאפשרים לאורגניזמים להתקיים בין ארוחות .חומרי התשמורת העיקריים הם טריאציל גליצרולים ,חלבוני השריר ,גליקוגן המצוי בשריר ,בכבד ובנוזלים חוץ תאיים ,והגלוקוז החופשי בדם. בטבלה מפורטים חומרי התשמורת .ניתן לראות שהתפוקה האנרגטית של חומצות שומן אינה פרופורציונית מבחינת המסה שלה לחלבוני השריר – ההבדל נובע מהמצב המחוזר הגבוה של חומצות השומן המאפשר הפקת אנרגיה גבוהה יותר בתהליך הפירוק שהוא תהליך מחמצן. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 178 יחד עם זאת יש לזכור כי פירוק השומנים אינו מפיק גלוקוז ,החיוני לתפקוד המוח במצבי צום ,ולכן כאשר נגמרים מאגרי הגליקוגן ,חלבוני השריר מתחילים להתפרק כי הם אלו שמספקים גלוקוז למוח. גלוקוז המולקולה המרכזית שמשמשת לאנרגיה היא הגלוקוז .היא מגיעה ממערכת העיכול אל הדם ,אולם יכולה להגיע גם ממאגרי הגליקוגן המתפרק או מעמילן וסוכרוז )בצמחים(. מגלוקוז קיים ניתן לסנטז גליקוגן או לפרק גליקוגן בגלוקוניאוגנזה ולשלוח את הגלוקוז לדם – פעולה הנעשית רק על ידי הכבד ,שכן רק בו יש את הפוספאטאזה שמורידה פוספאט מ G3P-ומאפשרת יציאה מהתא אל מחזור הדם .במצבי רעב הרקמות האחרות עוברות לניצול של שומנים כדי לשמר את הגלוקוז בדם לשימושו האקסקלוסיבי כמעט של המוח. הגלוקוז בדם יכול ללכת לגליקוליזה ולמעגל הפנטוזות והוא נשמר בהומיאוסטאזיס בריכוז מאוד קבוע. אחרי ארוחה כאשר הריכוז עולה הגלוקוז נכנס לשרירים והעודפים נכנסים לכבד .הכבד קולט עודפים כי קליטת הגלוקוז בו מתחילה מריכוז גבוה יותר של גלוקוז בדם. במצבים של חוסר באינסולין אין כניסה של הגלוקוז מהדם ומעל רמה מסויימת הכליות מנקות את הסוכרים דרך השתן. ליפידים הליפידים במערכת העיכול נעים בצורת טריאציל גליצרולים הארוזים בליפופרוטאינים כמו כילומיקרונים, LDL ,VLDLו.HDL- חלבונים וחומצות אמינו חומצות אמינו מפורקות מחלבונים המגיעים ממערכת העיכול או מחלבונים תוך-תאיים .חומצות האמינו יכולות להתפרק עוד לשלד פחמני ואמוניה .האמוניה מנוצלת או מסולקת .קיים קשר בין מעגל האוראה לבין מעגל קרבס. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , /שיעור :24אינטגרציה 179 יש חומרים הדרושים בגוף למרות שאינו מסנטז אותם – כמו ויטמינים ,הנצרכים בכמויות קטליטיות כי הם קבוצות פרוסטטיות שנשמרות לפרקי זמן ממושכים על פי רוב )למרות שלמשל ויטמין Cמסולק לאחר שעתיים ונשמר בכמות מוגבלת בתאי הדם הלבנים( .ישנן גם חומצות שומן Polyunsaturated המיוצרות בצמחים בלבד ואינן מיוצרות בבעלי חיים ,אולם בניגוד לויטמינים הן נדרשות בכמויות סובסטרטיות, כי הן משמשות כמרכיבים תאיים.קיימות גם חומצות אמינו שהגוף אינו מסנטז, המכונות חומצות אמיניות הכרחיות שחובה לקבל מהמזון )ראו טבלה .(17את חומצות האמינו ההכרחיות ניתן לקבל ממוצרים מהחי – המכילים את כל חומצות האמינו ,אולם על מנת לקבל חלבונים מצמחים סופגים אותם מהזרעים – שם הם נאגרים עבור העובר .בזרעי הקטניות אין את כל חומצות האמינו ולכן אין הם נחשבים כמקור חלבון מלא .חלבון הסויה הוא הקרוב ביותר מבחינת ההרכב ,אולם דרך נוספת להתגבר על הבעיה היא לערבב בין קטניות ודגנים. חומצות האמינו המסונטזות מתחלקות למשפחות בהתאם למקור השלד הפחמני ממנו ניתן לסנטז את חומצת האמינו הנתונה .הטבלה הבאה מפרטת את משפחות חומצות האמינו ,וכן אילו מרכיבי תא ניתן לסנטז מחומצות אמינו אלו. שימו לב שקיימות עוד שתי חומצות אמינו ,ליזין ולאוצין ,שאינן יכולות לתרום פחמנים לגלוקוניאוגנזה ולכן אינם מופיעות בטבלה. הפרשת חנקן בסילוק אמוניה קיימים מסלולים כמו מעגל האוראה .פגמים בסילוק האמוניה מהווים בעיה משמעותית שכן האמוניה רעילה לגוף .היום יש תרופות למצבים פתוגניים של פגמים גנטיים בהפרשת חנקן ,על ידי תרופות הקושרות שתי חומצות אמינו – גליצין וגלוטמין. תוצר הקישור של התרופה לחומצת האמינו מופרש בשתן ,כך שיוצאות חומצות אמיניות ממחזור התא – בייחודי הגלוטמין שיש לו שתי חומצות אמינו .הטיפול מכריח את הגוף לסנטז חומצות אמינו ולנצל את עודפי האמוניה שאינו יכול להפריש בצורה יעילה. 17למרות הטענה התוקפנית משהו נגד צמחונים בנוגע לחומצות האמינו ההכרחיות ,שנצרכות "רק" דרך חלבון מלא ,שימו לב לכוכבית שבטבלה .ככה ,בשביל הצחוקים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 180 העברת סיגנלית ישנן שתי מתודות העברה ברחבי הגוף: • המערכת הנוירואנדוקרינית – סיגנל בתגובה לגירוי חיצוני מפעיל העברת סיגנלים לאורך תא עצב .בקצה תא העצב מופרש חומר כימי )נוירוטרנסמיטור( .במערכת הסינפסה העצבית במוח האות נקלט על ידי הפרשת דופמין ,מועבר בעצב עד לסינפסה המשחררת אצטילכולין, הנוירוטרנסמיטור נקלט ומביא לשחרור סידן הגורם להתכווצות השריר .במערכת זו תאי העצב קובעים את קולט המסר – על פי המקום אליו הם מגיעים. • המערכת האנדוקרינית – הורמונים מובלים במחזור הדם ותאים בעלי רצפטורים מתאימים קולטים אותם ומגיבים בהתאם. העברת הסיגנלים לתוך התא נעשית באחת משתי שיטות: • רצפטורים ממברנלים – קליטת הסיגנל על גבי רצפטור ממברנלי ,המביא ליצירה של שליחים שניוניים גורמים לשינויים של אנזימים קיימים. • רצפטורים תוך-תאיים – הורמונים וסטרואידים חוודרים את הממברנה ויכולים להגיע עד לגרעין התא ,שם הם נקשרים לפקטור שיעתוק ומשנים את פעילותו וגורמים לשינויים ברמת ביטוי גנים וחלבונים. אפינפרין )אדרנלין( האפינפרין עובד בעיקר על שרירים ,רקמת שומן וכבד .הוא הורמון מסוג "להילחם או לברוח" המופעל כשצריך בבת אחת הרבה אנרגיה ,בעיקר לצורך הפעלת שרירים .הוא מתקשר עם מסלולים מטאבוליים לצורך הוצאת חומרי תשמורת והכנסתם למסלולי חימצון ,עליהם הוא משפיע גם כן .מכיוון חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , /שיעור :24אינטגרציה 181 שבמצב "להילחם או לברוח" אי אפשר להתחיל לאכול ,צריך להתחיל להשתמש במאגרים הקיימים; אולם צריך גם יותר חמצן – כי אם רוצים לחמצן יותר סוכרים ושומנים ,צריך להגביר את שרשרת מעבר האלקטרונים במיטוכונדריה המוגבלת על ידי כמות החמצן .לשם כך האפינפרין עובד גם על מערכות המגבירות את שליחה החמצן – מגביר את קצב הלב ,לחץ הדם ומערכות המעבר של האוויר בריאות. נקודת החומצה הלאקטית היא מצב בו הפעלת השרירים עולה על קיבולת החמצן של הגוף ,ולכן השריר מתחיל בנשימה אנאירובית ובייצור חומצה לאקטית .ככל שהאדם מאומן יותר ,יכולות הלב-ריאה טובות יותר ונקודת החומצה הלאקטית גבוהה יותר )נדרשת יותר עומס פעילות על מנת להגיע אליה(. הטבלה מפרטת את התהליכים העולים או היורדים בהתאם לצורך האנרגטי העולה בעת שחרור אפינפרין. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 182 שיעור :25אינטגרציה – המשך אינסולין האינסולין אחראי לשמירת ההומיאוסטזיס של גלוקוז בדם; אכילה מביאה לעלייה בריכוז הגלוקוז ואז האינסולין מתווך בכניסת הגלוקוז לרקמות .מלבד העלאת רמת הקליטה של הגלוקוז בשריר ובכבד הוא מעכב את פירוק הגליקוגן ומזרז את ייצורו .הוא מזרז גם את הגליקוליזה ,לא כי צריך אנרגיה אלא כדי שעודפי הגלוקוז יוכלו להפוך לאצטיל CoA-לייצור חומצות שומן ,לאחר מילוי מאגרי הגליקוגן .לאחר זירוז יצירת חומר הבנייה של חומצות השומן הוא מזרז גם את קצב הייצור של חומצות השומן. האינסולין מיוצר בתאי בטא של הלבלב ,באיוזר המכונה איי לנגרהאנס .הוא מיוצר בצורה בלתי-פעילה ומופרש בתגובה לעלייה בריכוז הגלוקוז. הגלוקוז נכנס לתאי בטא כשריכוזו מעל לרמה מסויימת והופך ל- G3Pעל ידי גלוקוקינאז .לאנזים זה יש kMגבוה משל הקסוקינאז ,ולכן בעוד שהוא מתחיל לעבוד בריכוזים גבוהים יחסית הוא מוריד את הריכוז לרמה נמוכה יותר .כאשר הריכוז הגבוה מזוהה והגלוקוקינאז מופעל ,הוא משחרר אינסולין לדם. בירידה בריכוז הגלוקוז קצב הגליקוליזה יורד ,האינסולין מפסיק להיות מופרש ובו זמנית הוא מפורק על ידי פרוטאזות. אינסולין מסונטז בצורה בלתי פעילה ,הדורשת הפעלה כפולה – בתהליך המכונה .Preproinsulin לאחר הסינטזה הוא צריך להגיע לוזיקולות הפרשה – – secretary vesicleשם הוא ממתין ,מוכן, לאות הפרשה .תהליך זה מאפיין אלמנטים שצריכים לצאת באופן מיידי בתגובה לסיגנל ,ולא ניתן להמתין לייצורם עם הגעת הסיגנל – הם צריכים להשתחרר ,מוכנים ,בו ברגע. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :25אינטגרציה – המשך 183 לאחר הסינטזה של האינסולין הוא צריך להיכנס לוזיקולות .לשם כך החלבון מכיל בקצהו signal ,peptideאשר מכירה את הממברנה ויכולה להעביר את החלבון דרך הממברנה .פפטיד הסיגנל מעביר את האינסולין לוזיקולה ,שם פרוטאזה מפרקת את פפטיד הסיגנל .האינסולין עדיין לא פעיל ).(Proinsulin פרואינסולין מכיל שלושה איזורים: B ,Aו .C-עם הינתן סיגנל להפרשה, מופעלת פרוטאזה נוספת החותכת את איזור ) Cהכחול הבינוני בבהירותו( ושני האלמנטים Aו B-נשארים מחוברים בקשרים די-סולפידיים. שימו לב כי אינסולין לא מכניס גלוקוז לתאים ואפילו לא נכנס בעצמו; לאינסולין הוא נקשר הגורם לרצפטור לשרשרת פוספורילציות בתהליך העברת סיגנל תוך-תאי ,שבסופו חתיכות ממברנה עם טרנספורטרים של גלוקוז ) (GLUT2הנמצאות בתוך התאים עוברות לממברנה ,מתאחות איתה וחושפות את הטרנספורטרים לגלוקוז אל התווך החוץ-תאי ,שם נמצא הגלוקוז .כעת הגלוקוז יכול להיכנס לתאים. לאחר ירידת רמת הגלוקוז בדם יורד קצב הגליקוליזה בתאי בטא ,האינסולין מפסיק להיות מופרש והאינסולין הקיים מפורק על ידי פרוטאזות .כאשר נגמר הסיגנל מהאינסולין לתא הממברנות המכילות טרנספורטרים לגלוקוז מנצות מחדש כוזיקולות הנכנסות לתאים וממתינות עד לסיגנל הבא. זוהי פעילותו העיקרית של אינסולין; אבל יש לו עוד פעילויות דוגמת פיקוח על ייצור אצטילCoA- והפיכת סוכרים לטריאציל גליצרולים לשם ייצור שומנים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 184 מחלת הסכרת היא פגיעה שנובעת מאוסף של פגמים שמביאים למחסור באינסולין פעיל המביא לבעיה בכניסה של גלוקוז לתאים .למחלה יש סימפטומים שונים שמכונים "starvation in the middle of ") plentyהרעבה בשיאו של שפע( ,כי למרות שיש הרבה סוכר בדם הגוף מתנהג כמו בתנאי הרעבה. הסימפטומים הראשונים למחלה הם השתנה תכופה על מנת לסלק מומסים רבים; שתייה תכופה – בהתאם להשתנה; וריכוז גבוה של גלוקוז בשתן. ניתן להבחין בין שני סוגים עיקריים של סכרת: • – Type Iיכולה להתחיל בגיל של כמה חודשים ועד גיל ,20על פי רוב .סוג סוכרת זה ניתן לטיפול על ידי מתן אינסולין. • – Type IIרוב חולי הסכרת ,לרוב מופיעה בגיל יחסית מבוגר עקב בעיות בתפקוד האינסולין שמקורן בהזדקנות וגורמי סיכון אחרים כמו השמנת יתר .במצב זה אין מספיק אינסולין בדם ,לא מחסור כולל ,ולא תמיד אינסולין יכול לפתור את הבעיה .הדבר שלרוב פותר את הבעיה הוא פעילות גופנית כבדה מדי יום – הפעלה מוגברת של השרירים דוחפת כניסת גלוקוז לשרירים גם בתפקוד לקוי של אינסולין. בעיית הסוכרת התגלתה כבר במאה ה 2-על ידי הרופא ארטאוס ,שכינה את זה דיאביטיס מליטוס בשל הטעם המתוק של השתן בחולי סכרת .מליטוס פירושו"מומתק על ידי דבש" .אותו רופא ראה"התכה של הבשר והגפיים לשתן" ,משום שלהבנתו החולה התחיל לפרק שומנים לסוכרים והשתין הרבה – אז המסקנה הייתה שהבשר הנעלם הופך לשתן. במחלת הסכרת ,הגוף מגיב כמו במצב רעב בשל מחסור הסוכר – מתחיל לפרק שומנים לאנרגיה .אולם, בפירוק שומנים ללא סוכר מתחילים להיווצר גופים קטוניים .בשל כך ,אחד הסימנים של סכרת לא מאוזנת הם הצטברות גופים קטוניים בדם .תסמין נוסף הוא רמות גלוקוז גבוהות בדם ובשתן ותסמין אחר הוא המוגלובין שקשור לגלוקוז – במצב רגיל מעט מאוד גלוקוז נקשר להמוגלובין ,אבל בסכרת לא מאוזנת זה מתרחש בכמות שכיחה .בבדיקה ניתן לראות הבדל בפסים של ג'ל אלקטרופורזה ולזהות בנד של .Hemoglubin A1C המוגלובין קשור לגלוקוז מצטבר בכדוריות הדם האדומות לאורך זמן ולכן מהווה אינדיקציה אמינה למשך הזמן שהמטופל אינו שומר על איזון הסכרת. בדיקה אחרת שעושים בחשד ראשוני לסכרת היא glucose :tolerant testנותנים לחולה לשתות ,לאחר צום ,תמיסת גלוקוז ומבצעים כל כמה דקות בדיקת דם ,לראות איך משתנה ריכוז הגלוקוז בדם .באדם בריא יש עלייה של הגלוקוז עד ,10mM שהוא סף הסילוק על ידי הכליות – הכליות לא מאפשרות לעלות מעבר לזה .לאחר מכן יש הפרשה של אינסולין ולכן ירידה עד לחזרה למצב היציב. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :25אינטגרציה – המשך 185 חולה סוכרת לא מאוזן יגיע עם כמות של 10mMכי זו מידת הסף שסילקו הכליות ,הוא ישתה את תמיסת בגלוקוז והכמות תרקיע .לאחר מכן תרד לאט על ידי הכליות בלבד עד .10mMכמו כן יימצאו בשתן ובדם גופים קטוניים .באדם בריא יש פחות מ125- מ"ג בשתן ו 3-מ"ג בדם ובחולה סכרת יש 5000מ"ג בשתן ו 90-מ"ג בדם. גלוקגון מופרש עקב ירידה בריכוז הגלוקוז בדם ,זהו ההורמון ההופכי לאינסולין .הוא גורם לייצור גלוקוז ועיכוב פירוקו בעיקר כדי לספק את צורכי המוח .הטבלה הבאה מפרטת את העליות והירידות של התהליכים בגוף הנגרמים כתוצאה מהגלוקגון: הכבד מקטין את צריכת הגלוקוז ומגדיל את ייצור הגלוקוז בגלוקוניאוגנזה כדי לשחרר את הגלוקוז למוח. יש עלייה במוביליזציה של חומצות שומן כדי לספק חומר דלק שאינו גלוקוז לרקמות האחרות ולשמר את תכולת הגלוקוז בדם לשימוש המוח בלבד. הכבד זהו המרכז המטאבולי של הגוף .הוא מקבל מולקולות ממערכת העיכול ,מסנטז מולקולות ,שולח חומרים לדם – חלבונים ,גליקוגן ,שומנים ,גלוקוז .הוא בודק את מצב הגוף תמידית לפי סיגנלים נקלטים – מולקולות שמאותתות מה מצוי בעודף ומה במחסור ,כדי שיידע מתי לעצור ולהפעיל סינטזות. זו הסיבה שקשה לטפל באנשים עם כבד לא מתפקד – לכליות למשל יש תפקיד אחד ,להוציא מהדם מולקולות לא נחוצות ,ולכן ניתן לעשות דיאליזה – לסנן את הדם בממברנה מלאכותית .יש עם זה בעיות כי הסינון נעשה כל כמה ימים ולא כל כמה שעות וגם תאי הדם אדומים נפגעים מהמעבר בממברנה ,אבל אנשים כיולים לחיות על דיאליזה שנים. גם הלב קיים כבר כמלאכותי – הלב הוא משאבה וניתן לקיים אדם על לב מלאכותי עד שיימצאו לב להשתלה. כבד לעומת זאת מורכב מאוד ,וצריך כל כך הרבה חיישנים כדי להחליט מה לעשות עם המצב הנתון ,שלא ניתן להכין כבד מלאכותי כיום .הפתרון היחיד לחולי כבד הוא השתלה .הכבד מסוגל לעבור רגנרציה ,דבר המאפשר תרומת אונה מתורם חי – כאשר כל אונה תצמח בסוף לכבד שלם .יחד עם זאת ,הרגנרציה אינה מהווה פתרון כאשר כל הכבד חולה. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 186 השרירים שרירי השלד הינם בעלי מטאבוליזם אירובי ומשתמשים בסוכרים ,גופים קטוניים ושומנים .יש להם מאגר אנרגיה זמינה לשימוש מיידי ומאגר אנרגיה משני המכיל מולקולות קריאטין-פוספט .הפופסט קשור בקשר עתיר-אנרגיה השווה בערכו לקשר של ,ATPולכן בעזרת קריאטין-קינאז אפשר למסור את הפוספט ולהמשיך את תפקוד והשריר עד שיגיעו מקורות האנרגיה החיצוניים. כשמסתיימת הפעילות המאומצת השריר מכיל עודפי ADPשהופך ל ATP-בשרשרת הנשימה; לאחר שמאגרי ATPמתמלאים הריאקציה משנה כיוון והפוספט עובר לקריטין ,ליצירת קריאטין-פוספט. הטבלה מסכמת את מקורות האנרגיה לכיווץ השריר; ATP וקריאטין פוספט נמצאים בכמות קטנה יחסית למקורות האנרגיה מגליקוגן וחומצות שומן ,כי הם רק מאגר ראשוני לתחילת הפעילות עד שיגיעו מקורות אנרגיה חיצוניים יעילים יותר. הגרף מראה את המהירות כתלות במשך הריצה .ניתן לראות שבמרחקים קצרים יותר הזמן קצר יותר; ככל שהריצה ארוכה יותר הקצב יורד כדי לשמר אנרגיה ולמנוע התעייפות מהירה מדי של השרירים. מעגל קורי כאשר דורשים יצירה נוספת של אנרגיה מהשריר הוא עובר לנשימה אנאירובית המייצרת לקטאט על מנת למחזר NADהמאפשר את המשך קיום הגליקוליזה .תוך כדי הפעילות הגופנית ,הלקטאט עובר לדם וממנו לכבד ,שם אין מחסור של חמצן ולכן ניתן לבצע גלוקוניאוגנזה ולהחזיר את הלקטאט למצב של גלוקוז. הסיבה שמתנשמים לאחר פעילות מאומצת היא כדי לשלם את "חוב החמצן" שנדרש לביצוע עבודתו של הכבד שהופך לקטאט לגלוקוז .כמו כן צריך לשמור על פעילות בשריר כדי שהוא ימשיך לפנות לקטאט ,שאם לא יפונה יכול ליצור לחצים ,כאבים והתגבשות. גם אם לא יכולים להמשיך בפעילות אפשר לעסות את השריר כדי להמשיך את המרצת זרם הדם. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :25אינטגרציה – המשך 187 מעגל הגלוקוז-אלאנין בזמן מאמץ מוגבר יש תמיד פירוק חלבונים ,עקב נזק לשריר; פירוק החלבונים מביא להצטברות חומצות אמיניות ,מהן מעבירים חנקנים לגלוטאמאט. בשריר מצטבר גם פירובאט מהגלוקוז ,כאשר חלקו הופך ללקטאט והשאר לוקח חנקן מגלוטאמאט והופך לאלאנין .האלאנין מוסע לכבד שם הוא הופך לפירובאט שהופך לגלוקוז וחוזר לשריר דרך הדם. שריר הלב מכיוון ששריר זה צריך לעבוד כל הזמן הוא מכיל הרבה מיטוכונדריות – עד 50%מנפח התאים .הוא יכול לצרוך חומצות שומן ,גופים קטוניים וגלוקוז. הלב מכיל מעט קראטין פוספט ,כי האבולוציה "הבינה" שגם השניות המעטות שמתקבלות מקראטין פוספט – במקרה של בעיה באספקה – לא יעזרו לתפקוד זה. אם יש חסימת זרימת הדם או חוסר פעילות של השריר או הקוצב יש התקף לב ,ואם יש עצירת של האספקה יכולים להיגרם צלקת בלב ונזקים למוח. המוח צורך 20%מצריכת החמצן הכללית .הוא צריך אספקה קבועה של מלחים כדי לשלוח סיגנלים עצביים ,אולם הללו מפרקים את מפל הריכוזים של נתרן ואשלגן ולכן צריך גם אספקה קבועה של ATP כדי לשמר את המפל )להפעיל את משאבת .(Na/K ATPaseלשם כך הוא צריך גלוקוז באופן תמידי. רקמות שומן רקמה מתמחה העשויה מתאים המכילים טיפות שומן גדולות ומעט ציטופלזמה .התאים מכילים אנזימים מפרקים ומייצרים של טריאצילגליצרולים. שומן חום היא רקמה מתמחה נוספת היודעת לייצר חום במקום .ATPהיא עושה זאת על ידי הפרת הצימוד של שרשרת החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 188 הנשימה ממשאבת ה ATP-של המיטוכונדריה ) .(ATP Synthaseמכיוון שהפרת הצימוד יוצרת תהליכים לא יעילים ,האנרגיה המנוצלת משוחררת כחום. הרעב רעב מוגדר כמצב שבו לא מגיע מזון מן החוץ ויוצר מחסור בסוכרים .במצב זה לרוב נעשה שימוש בשומנים אבל במחסור בסובסטרט במעגל קרבס קיימת בעיית היווצרות גופים קטוניים. בשל כך ,במקביל ,מפורקים חלבוני הגוף ןחומצות האמינו הופכות לסוכרים .האנזימים המפורקים הם בעיקר ממערכת העיכול. לאחר צום ממושך מערכת עיכול הרוסה ואינה בנויה לקבל בבת אחת מזון. במקרה זה למרות הרעב לא ניתן לאכול כמויות גדולות .דבר זה התבטא בניצולי מחנות ריכוז והשמדה ובאנשים שצמו בשביתות רעב ,אשר לרוב סבלו ממחלות ואף מוות לאחר שקיבלו גישה למזון. גם לאחר צום קצר בן יום אחד ,הגוף צריך להתרגל מחדש למזון ולכן לרוב צריך לאכול משהו קל תחילה ולהמתין, עד שהמערכת תתרגל מחדש למזון ולשתייה ורק אז להחזיר את המערכת לאכילה רגילה. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :26שימוש בחמצן שלא במערכת הזיחרון החמצני 189 שיעור :26שימוש בחמצן שלא במערכת הזיחרון החמצני מקובל שנושמים בשביל המיטוכונדריה; אבל לא רק. החמצן הוא אטום בשורה ראשונה של הטבלה המחזורית ,בעל זיקה גבוהה לאלקטרונים ולכן מהווה כוח מחמצן חזק .בשרשרת הנשימה משתמשים בכוח מחזר ,דוגמת מולקולות ,NADHומעבירים את האלקטרונים שלהן מרחק גדול ככל הניתן על מנת לנצל את האנרגיה. השימוש בחמצן במקום פלואור ,שהוא מחמצן חזק יותר ,נובע מכך שפלואור יותר מדי פעיל – התרכובות החנקניות והפחמניות מהן מורכבים החיים יותקפו על ידי הפלואור ולכן משתמשים באטום הsecond - bestלחימצון. מקור החמצן – קיצור תולדות הזמן לפני 12-13מיליארד שנה התחיל המפץ הגדול; הדרך ממנו ועד לאנושות כפי שאנו מכירים אותה היום התאפשרה תודות לחיים צורכי חמצן שהתפתחו בדרך. לפני 4.5מיליארד שנים הופיעה השמש שלנו ,ממנה התנתק כדור מסה שהתקרר ויצר את כדור הארץ. הכדור היה מורכב מחנקן ,פחמן ,מימן ,מתאן ,אדי מים וכדומה ,אולם הקרינה האולטרא-סגולית של כדור הארץ היכתה בעוז על פני שטח הפלאנטה. הקרינה גרמה לשינויים במולקולות אורגניות שהיו בכדור הארץ שהביאו לארגון המולקולות עד להופעת חיידקים אנאירוביים .חלק מהקרינה גרמה לפירוק של אדי המים ליצירת חמצן מולקולארי ,בכמויות זניחות .התאים האנאירוביים צרכו את המולקולות האורגניות שבמים ובהמשך התפתחו תאים "חכמים" – ציאנובקטריה – שידעו לספק נוטריינטים מהקרינה על ידי פוטוסינטזה .בתהליך זה החל להשתחרר חמצן לאטמוספרה מעל המים. הקרינה והברקים המכים תמיד הביאו לפירוק של חלק מהחמצן ליצירת אוזון .בו זמנית החיים הפוטוסינטטיים והאירוביים התפתחו ויצרו יותר חמצן ואנרגיה ,שאיפשרו התפתחות חיים מפותחים יותר עד לימינו אנו. הכינוס הבינלאומי הראשון לביולוגיה של חמצן שני החוקרים שהובילו את מחקר הביולוגיה של החמצן היו פריסטלי ולבואזיה .פריסטלי היה איש דת שנרדף ועבר לארה"ב מאנגליה; לבואזיה היה עוזר לממשל בהכנת משקולות וכדומה ונרצח על ידי אנשי המהפכה הצרפתית אשר טענו כי "למדינה אין צורך באינטלקטואלים". שימוש ביולוגי בחמצן בגוף האדם – וכל אורגניזם נושם אוויר – קיימת מערכת שלמה לנשימתו דרך האף והפה ,המעבירים אותו לריאות ומהן לרקמות .השימוש בחמצן היה כדאי אבולוציונית כי הוא מעלה את יעילות הניצול של החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב 190 ביוכימיה א' -שיעור מטאבוליטים מחומצנים – לראיה ההבדל בין שימוש בגליקוליזה בלבד ) (2 ATPלעומת במעגל קרבס ) .(32 ATPיש גם תהליכים שלא ניתן לקיים ללא חמצן – כמו חימצון חומצות שומן. אורגניזמים רבים בפלנטה יכולים לחיות אנאירובית או אירובית – נושמים פקולטטיבים; מיעוט החיידקים הם אנאירובים אובליגטורים ואינם יכולים להתקיים בנוכחות חמצן כי אין להם המערכות להתמודד עם תוצרים אוקסידנטים של החמצן. נשימה אלטרנטיבית בצמחים התהליך העיקרי שמשתמש בחמצן הוא שרשרת הנשימה אולם יש צורות אחרות לשימוש בחמצן מולקולארי ,כאשר הראשונה שנעסוק בה היא נשימה אלטרנטיבית בצמחים .חמצן משמש כאן בשרשרת מעבר אלקטרונים שלא לצורך קבלת .ATPה"שיח המסריח" )(Eastern Skunk Cabbage מפיץ ריח למשיכת חרקים לזירוז האבקה .הניחוח המופרש דומה לריח צואה ומושך חרקים רבים, המתקרבים ונושאים אבקנים לצלקות. ההפרשה נעשית על ידי שרשרת נשימה אלטרנטיבית המשתמשת בחלק משרשרת הנשימה בלבד – האלקטרונים לא נשלחים לקומפלקס IIIאלא יוצאים החוצה בתהליך שאין בו יצירה של .ATPמעבר האלקטרונים החלקי גורם לשאיבת פרוטונים החוצה ,אבל ללא יצירת ATPבמשאבה הפרוטונים יחזרו ויווצר חום .פעילות זו גורמת לעלייה של ,20-40°Cהמעודדת נידוף מולקולות הריח של הצמח. שימוש בחמצן ללומינציה תהליך אחר המשתמש בחמצן מולקולארי הוא יצירת אור – המיישמת המפורסמת של התהליך היא הגחלילית אך יש גם פטריות ויצורים ימיים שעושים זאת .התהליך משתמש בסובסטרט בשם לוציפרין ומתווך על ידי אנזים לוציפראז .לוציפראז מפעיל את לוציפרין בעזרת .ATPכאשר לוציפרין מופעל אלקטרונים שלו נמצאים ברמה אנרגטית גבוהה יותר והוא משתמש באנרגיה לפירוק חמצן .האנרגיה משתחררת בצורת אור. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :26שימוש בחמצן שלא במערכת הזיחרון החמצני 191 המערכת מנוצלת גם לצרכים של ביולוגיה מולקולארית וביוטכנולוגיה )לוציפרין משמש כגן מדווח(. חלבונים המנצלים חמצן מולקולארי אם נרצה להכליל את משפחת החלבונים המשתמשים בחמצן מולקולארי ,ניתן לחלקה לשתי קבוצות: אוקסידאזות ואוקסיגנאזות. אוקסידאזות משתמשות בחמצן מולקולארי כמקבל אלקטרונים בתהליכי חימצון חיזור .דוגמה לכך היא ציטוכרום אוקסידאז ,הקושר חמצן ובעזרת סובסטרט מחוזר מפרק אותו למים תוך הפקת האנרגיה הטמונה בקשרים המחוזרים .לעיתים יש חיזור חלקי של התוצרים ,היוצר רדיקלים חופשיים התוקפים מולקולות אחרות בסביבה ומסבות נזק חמור לתאי האורגניזם .לא כל התוצרים הם רדיקלים אך כולם פעילים ומתקיפים. דוגמה אחרת לאוקסידאז היא תהליך הפירוק של היפוקסנטין וקסנטין .אלו תוצרי פירוק של נוקליאוטידים כמו .ATPכדי להיפטר מהם קיים האנזים קסנטין דהידרוגנאז ,המשתמש ב NAD-לקליטת האלקטרונים של היפוקסנטין וקסטנין עד שמגיעים לחומצה יורית. אם אין חמצן ברקמה ,כמו בשבץ או פרוצדורות כירורגיות ,מתרחשים נזקים לרקמה; בעבר חשבו שהנזק נגרם עקב המצב האנאירובי שמעודד פרוק של התאים .מאמצע שנות ה 70-הוברר כי זה לא מקור הנזק היחיד :כשאין חמצן ברקמה הקסנטין דהידרוגנאז הופך לאוקסידאז עקב שינויים מולקולאריים באנזים .בתור אוקסידאז הוא לא יכול לקשור את NADולכן מעביר את האלקטרונים לחמצן מולקולארי ומחמצן אותו למי חמצן וספראוקסיד – תוצרי חמצן פעילים הרעילים לגוף .היום ברור שהרבה מהנזקים בשבץ ,התקף לב ואירועים אחרים נובעים גם מתוצרי החמצן הפעילים האלה. כשגילו זאת החליטו להגן על האיבר על ידי מעכבים של קסננטין אוקסידאז; זה עוזר באופן חלקי בלבד. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 192 אוקסיגנאזות משתמשות בחמצן מולקולארי לצורך הכנסת אטום חמצן או שניים למולקולות אורגניות .האוקסיגנאזות מתחלקות לשתיים: מונואוקסיגנאזות לוקחות חמצן מולקולארי ומכניסות אטום אחד למולקולה האורגנית )הידרוקסילציה של המולקולה האורגנית( ואת השני מחמצנות למים .משום כך הן תמיד צריכות קופקטור שהוא כוח מחזר. מונואוקסיגנאז מפורסם הוא משפחת מערכות ציטוכרום ,P450המשתתף בתהליכי ביוסינטזה של סטרואדים ודה-טוקסיפיקציה. משמאל :דוגמה לתהליך הידרוקסלציה על ידי מונואוקסיגנאז – פנילאלאנין הידרוקסלאז מוסיף הידרוקסיל לפנילאלאנין והופך אותו לטירוזין .חסר באנזים זה גורם למחלת הפנילקטונוריה )עמ' .(170 אנזימים המשתתפים בדה-טוקסיפיקציה לרוב עוברים אקטיבציה בחשיפה לגורם הטוקסין ,אולם משפחת P450מכילה חלבונים לא-ספציפיים כך שאנזים אחד יכול לטפל בכמה סובסטרטים וסובסטרט אחד מטופל על ידי כמה אנזימים .יחד עם זאת לא נולדים עם האיזוזימים של כל טוקסין – הם מתחילים להיות מסונטזים רק לאחר החשיפה הראשונה. מערכת הדה-טוקסיפיקציה משמשת לסילוק חומרים שאין בהם שימוש ויש סכנה בהצטברותם ובעיה להפרישם .המשותף לחומרים אלו הוא שיש להם מסיסות נמוכה במים אינם מופרשים בשתן )למעט חומרים נדיפים,כמו אצטון(. הדה-טוקסיפיקציה מורידה את רעילות המולקולה ומגדילה את ההידרופיליות שלה כדי שתתמוסס במים ותועבר בכליות מהדם לשתן .היא מתפקדת בעיקר בכבד ובאיזורים אחרים שקולטים מזון בגוף ,ומבצעת עיבוד שיעודד הפרשת החומרים .גם בריאות נקלטים טוקסינים ולכן גם שם קיימת מערכת עיבוד. חלק ניכר מהאיזוזימים עוברים אינדוקציה עם החשיפה לסובסטרט .הטיפול של המערכת בחומרי רעל יכול לעשות דה-טוקסיפיקציה ולהכין את המולקולה להפרשה ,אבל לפעמים תוצר הפעילות של האנזים הוא יותר פעיל-רעיל מהסובסטרט עצמו. כיצד זה קורה? קסנוביוטיים ,תרופות ורעלים מנוצלים על ידי ציטוכרום P450המדביק חמצן מולקולארי למולקולה לטובת המשך הדרך .הקשרים של מולקולת הטוקסין הדוקים ומקשים על הדבקת חומרים אחרים בה; עם זאת ,חמצן נקשר לא רע ולכן משמש מעגן לקישור חומרים אחרים. בשלב הבא מדביקים ל OH-משהו – גלוטטיון או חומצה גלוטטיונית ,אשר מפחית את יעילות הרעל או התרופה ומאפשר להמסיס אותם במים ולהפריש את המולקולה בשתן. ברגע שהודבק OHלמולקולה ,היא הופכת למטאבוליט מופעל המגיב טוב עם הסובסטרט אבל גם מגיב עם חמצן מולקולארי ויוצר תוצרי חמצן פעילים מאוד .המטאבוליט המופעל גם נקשר למולקולות אחרות וחשובות – כמו DNAאו חלבונים .זה יכול לגרום למוטציות או לסרטן ובמקרים קיצוניים למוות; אם הוא עובר שינוים הוא יכול להזיק לזיהוי selfו.none self- חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :26שימוש בחמצן שלא במערכת הזיחרון החמצני 193 דיאוקסיגנאזות מכניסות את שני אטומי החמצן למולקולה האורגנית .על ידי הדבקת החמצן מסייעת בפישוט מבחינה כימית-מולקולארית של פרוק חומרים. אחת המולקולות הרעילות הנצרכות במזון מכונה בנזופירל )הטבעות באיור ללא ,(OHהמצויה בעיקר בבשר שרוף. הטיפול נעשה בשני שלבים כאשר בשלב א' היא עוברת הידרוקסילציה ובשלב ב' מודבקת מולקולה נוספת )גלוקורונאט( שמגבירה את מסיסותה במים. כאשר יש הרבה בנזופירל משתנה הכיוון בין שלבים א' ו-ב' )שלב ב' הוא השלב קובע המהירות( .עקב כך התוצר הראשון של הבנזופירל נשאר ועובר מודולציות נוספות ההופכות אותו לחומר מסרטן. מולקולה אחרת שמטופלת על ידי P450היא אפלאטוקסין .היא מיוצרת בפטריות וכשציטוכרום מטפל בה הוא קושר לה אטום אחד של חמצן. התוצר המחומצן נקשר ל DNA-ויכול ,בין היתר ,לגרום לסרטן. החומצה הגלוקורונית נדרשת לייצור גלוקורונאט UDP-המשמש לדה- טוקסיפיקציה .אם ממשיכים הלאה אפשר להכין ממנה גם ויטמין C )בצמחים ובעלי חיים ששמסנטזים את המולקולה .רק בני אדם וחזירי ים משתמשים בו כויטמין(. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 194 תוצרי חמצן פעילים החמצן האטומרי יכול להגיע בכל מיני צורות – כמפורט בטבלה .חמצן מולקולארי ומים הם צורות יציבות ,בעוד שהצורות האחרות הן צורות פעילות ולא יציבות .חמצן סינגלטי הוא מצב שבו שני האלקטרונים של חמצן נדחפים לתוך אותו אורביטל בכיוונים מנוגדים )ולא במצב הטבעי – בשני אורביטלים שונים וספינים מקבילים( .היצירה של חמצנים פעילים מוגברת על ידי מתכות מעבר שעוברות חימצון חיזור ,כמו ברזל ונחושת )בביולוגיה טבעית(. תוצרי החמצן מזיקים לתאים ,איברים ואורגניזמים שלמים .ידועות היום למעלה מ 100-מחלות בהן מעורבים תוצרי חמצן פעילים .גם סכרת מראה פרמטרים רבים של מעורבות תוצרי חמצן פעילים – זה לא בהכרח הגורם לסכרת אך ההתערבות שלהם מסבה נזקים .אחת התיאוריות הכי מבוססות לתהליך ההזדקנות היא שבכל נשימה 2%מהחמצן הנכנס הופך לתוצרי חמצן פעילים .הנזק הולך ומצטבר ובא לידי ביטוי בהזדקנות. נזקי תוצרי החמצן הפעילים הנזקים ,ברוב המולקולות ,הם פירוק: • שומנים – פרוקסידציה בקשרים כפולים ולכן שומנים לא-רווים יותר רגישים .גורם נזקים בממברנות – בין אם ממברנת המיטוכונדריה ,הגרעין ,התא וכדומה. • DNAו – RNA-שינויים כימיים ,שבירת גדילים ומוטציות המביאות לסרטן ותראטוגניות. • חלבונים – מתחמצנים ,מאבדים פעילות ויכולים להפוך אוטו-אימונים עקב אי-זיהוי מצד המערכת החיסונית .דוגמה נוספת היא ההמוגלובין המסוכרר שבחולי סכרת ,שנוצר משילוב של תוצרי חימצון ועודפי גלוקוז. • פחמימות – מתחמצנות ומזיקות ל.DNA- מקורות תוצרי החמצן הפעילים במצב רגיל 2% ,מהאלקטרונים לא מגיעים למים .בפעילות גופנית מאומצת עולה צריכת החמצן ולכן עולה גם יצירת הרדיקלים החופשיים .ספורטאים כבדים ידועים בתור אנשים הצורכים אנטיאוקסידנטים שאם לא כן הם סובלים מנזקים חמורים בחלבונים וב DNA-כתוצאה מתוצרי החימצון. תאי הדם הלבנים – מאקרופאגים וניוטרופילים – מייצרים סופראוקסידים ומי חמצן כדי להרוג את החיידקים אבל הם מסבים נזק לסביבה .הנזק מוביל לדלקת שבמצב תקין מפוזרת על ידי הגוף .במחלות כמו איסכמיה ורפרוזיה שבהן יש מחסום בדם ,או מחלות ,דוגמת ווילסון ,בהן קיימת צבירת מתכות המגיבות עם האוקסידנטים ,ישנה סכנת נזק לגוף. אין סילוק יוני מתכת בכליות ,אבל היום יש טיפולים דמוי דיאליזה שיכולים לפנות מתכות כבדות מהכבד. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :26שימוש בחמצן שלא במערכת הזיחרון החמצני 195 הדרך השנייה לחשיפה היא באינטראקציה עם הסביבה .מאכלים שונים ובעיקר תוספי מזון יכולים ליצור רדיקלים של חמצן במערכות העיכול ,הכבד והכליות .חומר ביולוגי שרוף – קפה ,בשר – מהווה מקור לרדיקלים חופשיים .גם אלכוהול מייצר בכבד תוצרי חמצן פעילים ,ואלכוהוליסטים כבדים מתים לרוב מסרוזיס – הכבד שלהם מחומצן לחלוטין ועומס הטוקסינים על הכבד גדול מכפי יכולת סילוק הכבד. רוב התרופות אנן מסיסות במים ,ולכן מסולקות על ידי משפחת ציטוכרום .P450הסילוק יכול להזיק יותר מאשר להועיל :באקמול ,למשל ,הציטוכרום מטפל בתרופה והופך אותה לחומר רעיל לכבד .ידועות היום בעיות בכבד הנובעות משימוש תכוף בתרופות אלו. בעיה אחרת עם אקמול הוא ערבוב עם תרופות אחרות או עם אלכוהול השלב קובע המהירות של P450 הוא שלב ההדבקה של המטאבוליט המופעל; אם המטאבוליט מיוצר בקצב מהיר ומופעל באופן איטי ,הוא מתחיל לעבוד על דברים אחרים ובעצם מסב נזקים במקומות נוספים. מקור אחר לתוצרי חמצן הוא קרינה :קרינת UVמגיבה עם חמצן ומייצרת תוצרים פעילים המזיקים ל- DNAשל תאי העור ויכולים לגרום למלנומות ,סרטן העור ,וקרצינומה של תאים באזאליים. עדשת העין בנויה מחלבון בשם קריסטלין ,בעל מבנה מיוחד כי הואש קוף .במשך השנים ,כשהעין עוברת אינטראקציה עם חמצן וקרינת השמש ,יש חימצון של הקריסטילין .כאשר הם מתחמצנים הם מאבדים משקיפותם והעדשה הופכת לעכורה – דבר הגורם לקטרקט ועוורון. חוץ מהקרינה הטבעית שעושה נזקים ,ישנה חשיפה לקרינות נוספות ,כמו :אולטראסאונד ,רנטגן ,הדמיות למיניהן ,קרינות מאנטנות ,טלפונים סלולריים ורדאר. בשנים האחרונות מקובל לעשות בדיקות אולטראסאונד מרובות בזמן ההריון .טרם הוכח ,אך בעתיד עוד ייראה שיש קשר בין הבדיקות האלו לבעיות בילדים ,כי הוא עושה נזק במנגנוני ייצור של רדיקלים חופשיים. כמו רנטגן – צריך לעשות רק אם צריך. מקור נוסף הוא זיהום אוויר – ממכוניות ותעשיה .במקומות עם הרבה זיהום אויר יש הרבה מחלות ריאה. מולקולות הזיהום יכולות להיות רדיקלים בעצמן ויכולות להזיק דרך P450או יכולות להיות יצרניות של רדיקלים .גם עשן סיגריות מכיל אלפי מולקולות מזיקות ,שחלק גדול מהן רדיקלים ואלו שלא רדיקליות – יוצרות רדיקלים בריאות ובדם. • • • • חימצון לא מלא במערכת הנשימה ,אוקסידנטים ממערכת החיסון ,אוקסידציה על ידי מתכות. חומר ביולוגי שרוף )קפה ,בשר( ,אלכוהול ,תרופות )אקמול( ושילובים שונים. קרינת UVמזיקה לתאי העור ומחמצנת חלבוני קריסטלין בעין )קטרקט( .קרינות ממקור אנטרופוגני ) ,USרנטגן ,רדיו ,אלקטרומגנטיות(. זיהום אוויר ועישון – מולקולות הזיהום רדיקליות או הופכות כאלה עקב הטיפול ב.P450- מנגנוני הגנה כנגד רדיקלים של חמצן מנגנוני ההגנה מכונים אנטיאוקסידנטים ותפקידם בעיקר לסלק את התוצרים הרעילים ובחלק מהמקרים גם למנוע את יצירתם .במערכות אנטיאוקסידנטיות יש חלבוניםאנזימטיים ואנטיאוקסידנטים לא חלבוניים – חומרי פסולת תאית ,המיוצרים על ידי התאים או נקלטים במזון. • אנזימים – יכולים לפרק מי חמצן וסופראוקסיד .סופראוקסיד דיסמוטאז מפרק סופראוקסיד למי חמצן וחמצן מולקולארי .קאטאלאז משפחה של פרוקסידאזות )דוגמת גלוטטיון פרוקסידאז( החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב ביוכימיה א' -שיעור 196 יודעים לחזר מי חמצן למים )הקאטאלאז יוצר בנוסף חמצן מולקולארי ,הפרוקסידאזה יוצרת גם גלוטטיון מחומצן(. כמות הגלוטטיון בגוף מוגבלת ולכן צריך למחזר אותו ,על ידי אנזים עזר – גלוטטיון רדוקטאז. הוא מכונה אנזים עזר כי הוא רק תומך במערכת האנטיאוקסידנטית אך אינו אנטיאוקסידנט בעצמו. רדוקטאז יוצר ,NAPDאשר ממוחזר על ידי האנזים .G6PD במחלת G6PDיש רמות נמוכות של ,NAD(P)Hואז יש רמות נמוכות של גלוטטיון ,ולכן הפעילות של גלוטטיון פרוקסידאז נפגעת .משום כך החולים מתקשים כשהם נחשפים לתוצרי חימצון חלקי. • ויטמינים אנטיאוקסידנטים – ויטמין Eמסיס בשומן ולכן עוזר בסביבות הידרופוביות; ויטמין C מנגד מסיס במים .הקראטנואידים מצויים בכל הירקות הכתומים )מכילים בטא-קארוטן( והאדומים )מכילים ליקופן(. לינוס פאולינג יצא בשנות ה 60-בהכרזה שויטמין Cעוזר נגד שפעת והתקררות .הוא קיבל פעמיים פרס נובל – פעם על כימיה ופעם לשלום .הוא היה צורך 16ג' ויטמין Cכל בוקר ונהגו לומר שהיה לו שתן מאוד יקר ,כי ויטמין Cאינו נאגר בגוף – כדי לשמור על הרמה שלו צריך לקחת מנות קטנות לאורך כל היום .הוא מת בגיל 94מסרטן הערמונית .עד גיל 93הוא המשיך להופיע בכנסים להוציא מאמרים. • אנטיאוקסידנטים המיוצרים בתאים – גלוטטיון CoQ10 ,ומלאטונין – הורמון המתפקד בשעון הביולוגי של השינה – כולם מתבררים כאנטיאוקסידנט חשובים .גם חומצה יורית ,שהיא לכאורה חומר פסולת של הגוף ,משמשת כאנטיאוקסידנט .המולקולות האלה מפרקות את תוצרי החימצון. • חלבונים שאינם אנזימים – מונעים גישה למטרות פוטנציאליות של תוצרי חימצון .החלבון Ceruloplasminקושר בחוזקה נחושת ו Transferrin-קושר ברזל .החלבונים האלו מונעים גישה וייצור אוקסינדטים בהקשר של יוני המתכת הרגישים. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , שיעור :26שימוש בחמצן שלא במערכת הזיחרון החמצני 197 הצורך ברדיקלים חופשיים בשנים האחרונות מסתבר שאסור למגר לחלוטין את התוצרים המחמצנים ,כי הם משתתפים בתהליכים חשובים שלא ניתן להתקיים בלעדיהם .קיים שיווי משקל עדין בין הנזק לתועלת מהתוצרים האלה. הביולוגיה ,כמו מובייל עדין ,מאזנת את שיווי המשקל הזה .ולראיה ,האנטי-אוקסידנטים לעולם לא מסלקים לחלוטין את התוצרים כי הם לא מספיק מהירים וגם כי זמן מחצית החיים של התוצרים הוא קצר. האיזון מצווה צורך באוקסידנטים תחת שלושה תנאים :ריכוז נמוך יחסית ,במקום המתאים ובזמן המתאים .הנזק נגרם רק כשאחד או יותר מההתנאים האלה לא מתקיימים. השימוש של רדיקלים חופשיים בגוף • העברת סיגנלים – רדיקלים הם אחד מתוצרי הביניים הפועלים בהעברת הסיגנל לאפופטוזיס. • תהליכי פירוק וסינטזה – הורמון התירואיד בעל טבעות בנזניות שצריך להדביק להן יוד; תגובה כימית זו נעשית בתנאים מאוד קיצוניים בתעשייה ,אך בביולוגיה היא מבוצעת על ידי אנזים המשתמש בכוח פרוקסיד מי החמצן .האנזים הוא קומפלקס שמייצר מי חמצן במקום ,בכמות ובזמן המתאימים – לשימוש מקומי ומבלי להסב נזק לסביבה. • פירוק ליגנין – הליגנין היא מולקולה מורכבת של פחמנים ומימנים שקשה לסנטז וקשה לפרק )בכימיה( .תעשיית הנייר נאבקת קשות בליגנין על מנת לבודד את הצלולוז ,ונהגה להשתמש בחומרים מאוד רעילים ומחמצנים ,אבל אז יש בעיה בהשלכת הפסולת של תעשיית הנייר .זאת עד שגילו בפטריות העובש הלבן ,הגדלות על גזעי עצים ,אנזים מופרש בשם ליגנין פרוקסידאז שמפרק ליגנין בעזרת מי חמצן המיוצרים על ידי הפטריה .כיום האנזים מסונטז בתעשיה ונעשה נסיון להשתמש בו כחלופה לחומרים הרעילים. • יצירת ליגנין – ליגנין פרוקסידאז אחר בונה את המולקולה בצמחים ,וגם כן משתמש במי חמצן. • מערכות הגנה – המערכת החיסונית מייצרת סופרקסידים ומי חמצן להרג חיידקים פולשים .אם מערכת האוקסידאז לא פעילה באדם מופיעה מחלת "ילדי הבועה" ,שאינם יכולים להתמודד אף עם חיידקים פשוטים. • ייצור אנטיביוטיקה – חיידקים ופטריות מייצרים אנטיביוטיקה כחומר להפחתת תחרות בסביבתם: הם עמידים לחומר אך הורגים את המיקרואורגניזמים המתחרים על המזון המוגבל .באנטיביוטיקה לרוב מדביקים אטומים של הלוגן למולקולה ,תהליך מורכב המשתמש בפעילות של מי חמצן להדבקת האטומים לטבעות. • מערכת הרבייה – הפעלת תאי זרע ,שנוצרים במצבם הלא פעיל ונדרשת על מנת שיוכלו לצאת לדרכם ,נעשית בייצור חומרי חמצן פעילים .מערכת אחרת היא "סגירת" הביצית לאחר ההפריה, למניעת כניסה של תאי זרע נוספים .האטימה נעשית על ידי cross-linkingשל חלבונים ,חיבור קבוצות קצה המקטין את החורים בממברנת הביצית. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב
© Copyright 2024