מסלולי מטבולית: סוגים ונתיבים עיקריים - ביולוגיה - 2025

מסלול מטבולי הוא סט של תגובות כימיות, מזורזת על ידי אנזימים. בתהליך זה, מולקולה X הופכת למולקולה Y, באמצעות מטבוליטים ביניים. מסלולי מטבוליים מתרחשים בסביבה הסלולרית.

מחוץ לתא, התגובות הללו היו נמשכות זמן רב מדי, וחלקן עלולות לא להופיע. לכן כל שלב דורש נוכחות של חלבוני זרז הנקראים אנזימים. תפקידן של מולקולות אלה הוא להאיץ את המהירות של כל תגובה בתוך המסלול בכמה סדרי גודל.

דרכי חילוף חומרים עיקריות
מקור: צ'אקזול (שיחות · תרומות), באמצעות ויקימדיה.

מבחינה פיזיולוגית המסלולים המטבוליים קשורים זה לזה. כלומר, הם אינם מבודדים בתוך התא. רבים מהנתיבים החשובים ביותר חולקים מטבוליטים משותפים.

כתוצאה מכך, מערך התגובות הכימיות המתרחשות בתאים נקרא מטבוליזם. כל תא מאופיין בכך שהוא מציג ביצועים מטבוליים ספציפיים, המוגדרים על ידי תוכן האנזימים שבתוכם, אשר בתורו נקבע גנטית.

מאפיינים כלליים של מסלולי מטבול

בתוך הסביבה התאית מתרחשת מספר רב של תגובות כימיות. מערך התגובות הללו הוא מטבוליזם, והתפקיד העיקרי של תהליך זה הוא לשמור על ההומאוסטזיס של הגוף בתנאים רגילים, וגם בתנאי לחץ.

לפיכך, חייב להיות איזון שטף של מטבוליטים אלה. בין המאפיינים העיקריים של מסלולי חילוף חומרים יש לנו את הדברים הבאים:

התגובות מנותחות על ידי אנזימים

תגובה מנותזת על ידי אנזימי cyclooxygenase (מקור: Pancrat באמצעות Wikimedia Commons)

גיבורי המסלול המטבולי הם אנזימים. הם אחראים על שילוב וניתוח המידע על מצב חילוף החומרים ומסוגלים לשנות את פעילותם על פי דרישות הסלולר של הרגע.

מטבוליזם מוסדר על ידי הורמונים

המטבוליזם מכוון על ידי סדרת הורמונים, המסוגלים לתאם תגובות מטבוליות, בהתחשב בצרכי הגוף וביצועיו.

תא

יש מידור של מסלולי חילוף חומרים. כלומר, כל מסלול מתרחש בתא תת-תאי ספציפי, קוראים לו ציטופלזמה, מיטוכונדריה, בין היתר. מסלולים אחרים יכולים להופיע בכמה תאים בו זמנית.

המידור של המסלולים מסייע בוויסות המסלולים האנאבוליים והקטבוליים (ראה להלן).

תיאום הזרימה המטבולית

התיאום של חילוף החומרים מושג באמצעות יציבות הפעילות של האנזימים המעורבים. יש לציין כי מסלולי אנבוליים ומקביליהם הקטבוליים אינם עצמאיים לחלוטין. לעומת זאת הם מתואמים.

ישנן נקודות אנזימטיות מרכזיות במסלולי חילוף החומרים. עם קצב ההמרה של אנזימים אלו מוסדר כל זרימת המסלול.

סוגי מסלולי חילוף חומרים

בביוכימיה נבדלים שלושה סוגים עיקריים של מסלולי חילוף חומרים. חלוקה זו מתבצעת על פי קריטריונים ביו-אנרגטיים: מסלולי קטבוליים, אנבוליים ואמפיבולים.

מסלולים קטבוליים

מסלולים קטבוליים כוללים תגובות השפלה חמצונית. הם מבוצעים על מנת להשיג אנרגיה והפחתת כוח, שישמשו אחר כך את התא בתגובות אחרות.

מרבית המולקולות האורגניות אינן מסונתזות על ידי הגוף. לעומת זאת, עלינו לצרוך אותו דרך האוכל. בתגובות קטבוליות, מולקולות אלה מבוטלות למונומרים המרכיבים אותן, שיכולות לשמש את התאים.

מסלולים אנבוליים

מסלולי אנבוליים כוללים את התגובות הכימיות של הסינתזה, לוקחים מולקולות קטנות ופשוטות והופכים אותם ליסודות גדולים ומורכבים יותר.

כדי שהתגובות הללו יתקיימו, אנרגיה צריכה להיות זמינה. מאיפה האנרגיה הזו באה? מהמסלולים הקטבוליים, בעיקר בצורה של ATP.

בדרך זו ניתן להשתמש במטבוליטים המיוצרים על ידי נתיבים קטבוליים (המכונים באופן גלובלי "מאגר המטבוליטים") בנתיבים אנבוליים על מנת לסנתז מולקולות מורכבות יותר שהגוף זקוק להן כרגע.

בין מאגר המטבוליטים הזה, ישנן שלוש מולקולות מפתח בתהליך: פירובט, אצטיל קו-אנזים A וגליצרול. מטבוליטים אלה אחראים לחיבור המטבוליזם של ביומולקולות שונות, כמו ליפידים, פחמימות, בין היתר.

מסלולים אמפיביים

מסלול אמפיבול מתפקד כמסלול אנאבולי או קטבולי. כלומר זהו מסלול מעורב.

מסלול האמפיבול הידוע ביותר הוא מחזור קרבס. לתוואי זה תפקיד מהותי בהשפלת הפחמימות, הליפידים וחומצות האמינו. עם זאת, היא משתתפת גם בייצור מקדמי המסלול הסינתטי.

לדוגמא, המטבוליטים של מחזור קרבס הם מקדימים למחצית מחומצות האמינו המשמשות לבניית חלבונים.

מסלולי חילוף חומרים עיקריים

בכל התאים שהם חלק מיצורים חיים מתבצעת סדרה של מסלולי מטבול. חלקם משותפים לרוב האורגניזמים.

מסלולי מטבוליות אלה כוללים סינתזה, השפלה והמרה של מטבוליטים קריטי לחיים. כל התהליך הזה ידוע כמטבוליזם ביניים.

תאים זקוקים לצמיתות לתרכובות אורגניות ואורגניות, וגם לאנרגיה כימית, המתקבלת בעיקר ממולקולת ה- ATP.

ATP (אדנוזין טריפוספט) הוא הצורה החשובה ביותר לאחסון אנרגיה בכל התאים. והרווחים וההשקעות באנרגיה של מסלולי מטבולי באים לידי ביטוי לרוב במונחי מולקולות ATP.

המסלולים החשובים ביותר הקיימים ברוב המוחלט של האורגניזמים החיים יידונו בהמשך.

גליקוליזה או גליקוליזה

איור 1: גליקוליזה לעומת גלוקונאוגנזה. תגובות ואנזימים מעורבים.

גליקוליזה היא דרך הכרוכה בהידרדרות הגלוקוז עד שתי מולקולות של חומצה פירובית, ומתקבלת כתועלת נטו שתי מולקולות של ATP. הוא קיים כמעט בכל האורגניזמים החיים ונחשב לדרך מהירה להשיג אנרגיה.

באופן כללי, זה בדרך כלל מחולק לשני שלבים. הראשון כולל מעבר של מולקולת הגלוקוזה לשתי מולקולות גליצראלדהיד, תוך היפוך שתי מולקולות ATP. בשלב השני נוצרות תרכובות אנרגיה גבוהה, ומתקבלות 4 מולקולות ATP ו -2 מולקולות פירובט כתוצרים סופיים.

המסלול יכול להמשיך בשתי דרכים שונות. אם יש חמצן, המולקולות יסיימו את חמצונן בשרשרת הנשימה. או, בהעדר זה, מתרחש תסיסה.

גלוקונאוגנזה

AngelHerraez / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

גלוקונאוגנזה היא מסלול לסינתזה של גלוקוז, החל מחומצות אמינו (למעט לוצין וליזין), לקטט, גליצרול או כל אחד מהביניים של מחזור קרבס.

גלוקוזה הוא מצע חיוני לרקמות מסוימות, כמו המוח, כדוריות הדם האדומות והשרירים. ניתן להשיג את אספקת הגלוקוז דרך מאגרי הגליקוגן.

עם זאת, כאשר אלה מתרוקנים, על הגוף להתחיל בסינתזת הגלוקוז בכדי לעמוד בדרישות הרקמות - בעיקר רקמת העצבים.

מסלול זה מתרחש בעיקר בכבד. זה חיוני מכיוון שבמצבי צום, הגוף יכול להמשיך להשיג גלוקוזה.

הפעלת המסלול או לא קשורה להזנת האורגניזם. בעלי חיים הצורכים תזונה עשירה בפחמימות הם בעלי שיעורי גלוקונוגניים נמוכים, ואילו דיאטות דלות בגלוקוז דורשות פעילות גלוקונוגנית משמעותית.

מחזור גליוקסילט

צולם ונערך מתוך: המעלה המקורי היה אדנוזין בוויקיפדיה האנגלית. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)

מחזור זה ייחודי לצמחים וסוגים מסוימים של חיידקים. מסלול זה משיג את הפיכתן של יחידות אצטיל דו-פחמניות ליחידות ארבע-פחמן - המכונות סוקינאט. תרכובת אחרונה זו יכולה לייצר אנרגיה ויכולה לשמש גם לסינתזה של גלוקוזה.

אצל בני אדם, למשל, לא ניתן יהיה להתקיים על אצטט בלבד. בחילוף החומרים שלנו לא ניתן להמיר את האנזים קואנזים A לאי-פירובט, שהוא מבשר למסלול הגלוקונוגני, מכיוון שהתגובה של האנזים פירובט דה-הידרוגנאז אינה הפיכה.

ההיגיון הביוכימי של המחזור דומה לזה של מחזור חומצות לימון, למעט שני שלבי הדקרבוקסילציה. זה מופיע באורגנלים ספציפיים מאוד של צמחים המכונים גליוקסיסומים, והוא חשוב במיוחד בזרעים של כמה צמחים כמו חמניות.

מחזור קרבס

מחזור חומצה טריקארבוקסילית (מחזור קרבס). צולם ונערך מתוך: Narayanese, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins (בתרגום לספרדית על ידי Alejandro Porto).

זהו אחד המסלולים הנחשבים כמרכזיים במטבוליזם של יצורים אורגניים, מכיוון שהוא מאחד את חילוף החומרים של המולקולות החשובות ביותר, כולל חלבונים, שומנים ופחמימות.

זהו מרכיב בנשימה סלולרית, ומטרתו לשחרר את האנרגיה המאוחסנת במולקולת אצטיל קו-אנזים A - המבשר העיקרי למחזור קרבס. זה מורכב מעשרה צעדים אנזימטיים וכאמור, המחזור פועל במסלולי אנבוליים וקטבוליים כאחד.

באורגניזמים אוקריוטים המחזור מתרחש במטריקס של המיטוכונדריה. בפרוקריוטות - אשר חסרות תאים תת-תאיים אמיתיים - המחזור מתרחש באזור הציטופלסמה.

שרשרת העברת אלקטרונים

משתמש: Rozzychan / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)

שרשרת הובלת האלקטרונים מורכבת מסדרת הובלות העוגנות בקרום. הרשת שמה לה למטרה לייצר אנרגיה בצורה של ATP.

השרשראות מסוגלות ליצור שיפוע אלקטרוכימי בזכות זרימת האלקטרונים, תהליך מכריע לסינתזה של אנרגיה.

סינתזת חומצות שומניות

חומצות שומן הן מולקולות הממלאות תפקידים חשובים מאוד בתאים, הן נמצאות בעיקר כמרכיבים מבניים של כל הממברנות הביולוגיות. מסיבה זו, הסינתזה של חומצות שומן חיונית.

כל תהליך הסינתזה מתרחש בציטוזול של התא. המולקולה המרכזית של התהליך נקראת מלוניל קואנזים A. היא אחראית לספק את האטומים שיוצרים את שלד הפחמן של חומצת השומן בהיווצרותו.

חמצון בטא של חומצות שומן

חמצון בטא הוא תהליך של השפלה של חומצות שומן. זה מתבצע באמצעות ארבעה שלבים: חמצון FAD, הידרציה, חמצון NAD + ותיוליזיס. בעבר, יש להפעיל את חומצת השומן על ידי שילוב של קו-אנזים A.

התוצר של התגובות המוזכרות הן יחידות שנוצרו על ידי זוג פחמניות בצורה של אצטיל קו-אנזים A. מולקולה זו יכולה להיכנס למחזור קרבס.

יעילות האנרגיה של מסלול זה תלויה באורך שרשרת חומצות השומן. למשל עבור חומצה פלמיטית, שיש בה 16 פחמימות, התשואה נטו היא 106 מולקולות ATP.

מסלול זה מתרחש במיטוכונדריה של איקריוטות. יש גם מסלול אלטרנטיבי נוסף בתא שנקרא הפרוקסיסום.

מכיוון שרוב חומצות השומן ממוקמות בציטוזול התא, יש להעבירן לתא בו יחמצנו. התחבורה תלויה בקרטניטן, ומאפשרת למולקולות אלה להיכנס למיטוכונדריה.

מטבוליזם של נוקלאוטידים

סינתזה של נוקלאוטידים היא אירוע מפתח במטבוליזם התא, מכיוון שאלו הם מבשרי המולקולות המהווים חלק מהחומר הגנטי, ה- DNA וה- RNA, ומולקולות אנרגיה חשובות, כמו ATP ו- GTP.

מקדימים הסינתזה של נוקלאוטידים כוללים חומצות אמינו שונות, ריבוז פוספט 5, דו תחמוצת הפחמן ו- NH ₃ . מסלולי ההחלמה אחראים למיחזור של בסיסים חופשיים ונוקלאוזידים המשוחררים מהתמוטטות חומצות גרעין.

היווצרות טבעת הפורין מתרחשת מפוספט ריבוזה 5, היא הופכת לגרעין פורין ולבסוף מתקבל הגרעין.

טבעת הפירימידין מסונתזת כחומצה אורוטית. ואחריו כריכה לפוספט 5 של ריבוז, הוא הופך לנוקליאוטידים פירמידינים.

תְסִיסָה

מחבר הגרסה המקורית הוא משתמש: נורו. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

תסיסה היא תהליכים מטבוליים בלתי תלויים בחמצן. הם מסוג קטבולי והתוצר הסופי של התהליך הוא מטבוליט שעדיין יש לו פוטנציאל חמצון. ישנם סוגים שונים של תסיסות, אך תסיסה לקטית מתרחשת בגופנו.

תסיסה לקטית מתרחשת בציטופלסמה של התא. זה מורכב מההשפלה החלקית של הגלוקוז על מנת להשיג אנרגיה מטבולית. כחומר פסולת מיוצרת חומצה לקטית.

לאחר הפעלה אינטנסיבית של תרגילים אנאירוביים, השריר אינו נמצא בריכוזים מספקים של חמצן ומתרחש תסיסה לקטית.

חלק מהתאים בגוף נאלצים להתסוס, מכיוון שהם חסרים מיטוכונדריה, כמו שקורה בתאי דם אדומים.

בתעשייה משתמשים בתהליכי תסיסה בתדירות גבוהה לייצור סדרת מוצרים לצריכה אנושית, כמו לחם, משקאות חריפים, יוגורט, בין היתר.

הפניות

1. Baechle, TR ו- Earle, RW (Edds.). (2007). עקרונות של אימוני כוח ומיזוג גופני. פנמריקנית רפואית אד.
2. ברג, JM, Stryer, L., & Tymoczko, JL (2007). בִּיוֹכִימִיָה. התהפכתי.
3. קמפבל, ח"כ ופארל, SO (2011). בִּיוֹכִימִיָה. המהדורה השישית. תומסון. ברוקס / קול.
4. Devlin, TM (2011). ספר לימוד לביוכימיה. ג'ון וויילי ובניו.
5. Koolman, J., & Röhm, KH (2005). ביוכימיה: טקסט ואטלס. פנמריקנית רפואית אד.
6. מוגיוס, ו '(2006). תרגול ביוכימיה. קינטיקה אנושית.
7. מולר-אסתרל, וו. (2008). בִּיוֹכִימִיָה. יסודות רפואה ומדעי החיים. התהפכתי.
8. Poortmans, JR (2004). עקרונות התעמלות ביוכימיה. 3 ^rd , מהדורה מתוקנת. קארגר.
9. Voet, D., & Voet, JG (2006). בִּיוֹכִימִיָה. פנמריקנית רפואית אד.