ביוכימיה הבנת תהליכים בעולם החי.

  גליקוגן:

פולי-גלוקוז (הרבה מולקולות של גלוקוז), משמש כמאגר פחמן ואנרגיה. גליקוגן הוא המאגר הקל ביותר לגישה, מהיר ביותר מבחינת ניצול ושחזור.

היתרון של פולימר כחומר תשמורת הוא שגליקוגן אינו מוסיף ללחץ האוסמוטי כפולימר. לא כמו חומצת שומן גלוקוז יכול לספק אנרגיה גם בהעדר חמצן ולכן מספק אנרגיה לפעילות אנארובית, גלוקוז היא מולקולת הדלק היחידה הנצרכת ע"י המוח (חוץ מבתנאי רעב). הגליקוגן איננו ליניארי. בנוסף לשרשרת ליניארית יש ענפים- יוצר אריזה צפופה יותר. פירוק הגליקוגן הוא מהקצוות ובשל הענפים יש יותר קצוות- פירוק מהיר יותר!

בשרשרת הליניארית הגלוקוז מחובר בקשר (4-1)?, הענפים מחוברים לשרשרת בקשרי (6-1)?. הקשרים בענף עצמו הם (4-1)?.

גליקוגן נמצא בריכוז הגבוה ביותר בכבד. תפקיד הכבד לשמור על רמת גלוקוז קבועה בדם. הכבד מאכסן גלוקוז בצורת גליקוגן. כמות הגליקוגן מגיעה עד 10%.

גליקוגן נמצא אף בחיידקים. גם בשרירים נמצאת כמות ניכרת של גליקוגן % 3-2. בגלל שמסת השרירים גדולה ממסת הכבד, סה"כ הגליקוגן נמצא בכמות רבה יותר בשרירים.

הגליקוגן מתפרק ע"י פוספורוליזה ומקבלים גלוקוז 1-פוספט, הדבר חוסך אנרגיה (כשגלוקוז נכנס למעגל הגליקוליזה הוא עובר פוספורילציה- תהליך הדורש אנרגיה). גלוקוז 1-פוספט הופך לגלוקוז 6-פוספט ואז נכנס למסלול הגליקוליזה. תוצר פירוק הגליקוגן יכול להיכנס למסלול גליקוליזה במסלול אנאירובי עד לפירובט וקבלת אנרגיה בניגוד לחומרי תשמורת אחרים. לעבודה אנאירובית אנו משתמשים רק בגליקוגן.

התפקיד העיקרי של הכבד הוא להעביר גלוקוז לשאר התאים דרך מחזור הדם, כך שגלוקוז 6-פוספט הופך בכבד לגלוקוז.

פוספורליזה: מזורזת ע"י האנזים גליקוגן פוספורילאז. גליקוגן פוספורילאז לוקח גליקוגן כסובסטרט וע"י פוספורוליזה מזרז יצירת גלוקוז 1-פוספט. מזרז את ההסרה של שיירי גליקוזיד מהצד הלא מחוזר של גליקוגן. הקשר בין C1 והחמצן הגליקוזידי מפורק ע"י אורתופוספט Pi ומתקבלת קונפיגורציה ? בפחמן C1. ההתפרקות הפרוטיאוליטית של גליקוגן עדיפה מבחינה אנרגטית כיוון שהסוכר המשתחרר מזורחן. יתרון נוסף הוא שגלוקוז 1-פוספט לא יכול לעבור בדיפוזיה אל מחוץ לתא, בעוד שגלוקוז כן.

כשגליקוגן פוספורילאז מגיע לפיצול הפולימר לענפים הוא נתקע- הוא יודע להתעסק רק עם החלק הליניארי. הוא יכול לפרק עד 4 מונומרים עד לפיצול ואז נכנסים אנזימים אחרים לפעולה. גליקוגן טרנספראז לוקח 3 מונומרים מהענף ומעביר אותם לקצה החלק הליניארי. השייר שנשאר נפתח ע"י אנזים בשם 6-1? גלוקוזידאז ומקבלים גלוקוז נקי (הידרוליזה). לאחר החיתוך מקבלים פולימר ליניארי שניתן לפירוק ע"י גליקוגן פוספורילאז עד הענף הבא- מנגנון התיישרות הפולימר. גלוקוז 1-פוספט הופך לגלוקוז 6-פוספט. הפוספט שנמצא במקום 6 אינו הפוספט שהיה במקום 1. הפוספט שבמקום 6 הוא הפוספט שבאתר הפעיל של האנזים. לאחר מכן האנזים לוקח את הפוספט שבמקום 1. הפוספט שבמקום 6 הוא פוספט ממקום 1 של גלוקוז 1-פוספט אחר. תהליך זה מזורז ע"י האנזים פוספוגליקומוטאז.

בתאי כבד הורדת פוספט מגלוקוז 6-פוספט ע"י גלוקוז 6-פוספטאז מתרחשת בתוך לומן (חלל פנימי) של הרטיקולום האנדופלסמטי. גלוקוז 6-פוספט מועבר לתוך ה-ER, מיד גלוקוז 6-פוספטאז הופל אותו לגלוקוז ואל הציטופלסמה מועברים גלוקוז ופוספט. ריאקציה זו מתרחשת רק בכבד ולא בשרירים ובמוח. מנגנון גליקוגן פוספורילאז : אנזים גדול דימר המורכב מ-2 תת יחידות זהות בעל מסה DK97 ולכל אחת אתר פעיל. זהו חלבון גדול מכיוון שהסובסטרט שלו גדול. בתוך האתר הפעיל של כל תת יחידה נמצא קופקטור פירידוקסאל פוספט (PLP). הוא מאפשר קטליזת ריאקציית פוספורוליזה ומונע הידרוליזה ע"י כך שהוא משמש בתור מקבל ומוסר פרוטון וכך מונע כניסת מים לאתר הפעיל ולאפשר לפוספט להשתתף בריאקציה. אתר קשירה נמצא במרחק A30 מאתר קטליטי ,הם מחוברים ע"י תעלה צרה שמסוגלת להכיל 4-5 יחידות גלוקוז, הפרדה גדולה זו בין האתרים מאפשרת לאנזים לבצע פוספורילציה בשיירים רבים ללא עזיבה של סובסטרט וקישור מחדש אחרי תהליך קטליטי אחד, אנזים כזה נקרא processive. אנזים זה עשיר במנגנוני בקרה. 2 מנגנוני בקרה: בקרה אלוסטרית וקוולנטית- זרחון של האנזים ב-2 מקומות, בכל תת יחידה. קיימים גם אפקטורים אלוסטריים. הזרחון נמצא בבקרה הורמונלית והם קובעים את זרחון האנזים. יש הבדל בבקרה בין שרירים וכבד. הבדלים אלו נקבעים ע"י הספציפיות של כל אחד מהם. תפקודים של שרירים וכבד קובעים את הבקרה האלוסטרית בכל רקמה. יש שיירי Ser בכל תת יחידה שעוברים זרחון. זרחון בנק' אחת גורם לשינוי קונפורמציית החלבון. זמינות האתר הפעיל משתנה בעת הזרחון. פוספורילאז a- מצב מזורחן של האנזים, האתר הפעיל פתוח והאנזים פעיל- מצב R. פוספורילאז b- מצב לא מזורחן, האתר הפעיל סגור והאנזים לא פעיל- מצב T.פוספורילאז קינאז מזרחן את פוספורילאז b. 2 צורות האנזים יכולות להיות במצב הפעיל R או במצב הלא פעיל T, ההבדל הוא שבמצב מזורחן השוו"מ   מוסט לכיוון R ובמצב לא מזורחן מוסט למצב T. בנוסף למודיפיקציה קוולנטית, בשריר  (פוספולירז b רגיש לשינוי בין מצב T ל- R) בקרה אלוסטרית מתרחשת ע"י חומרים המעורבים במטבוליזם אנרגטי. ריכוז גבוה של ATP וגלוקוז 6-פוספט מייצבים את המצב הלא פעיל T. AMP שמופיע במצבים אנרגטיים לא טובים מייצב את המצב הפעיל R. בשריר: ATP הוא מבקר אלוסטרי שלילי של פוספורילאז b אשר פעיל רק בריכוזים גבוהים של AMP.

גלוקוז 6-פוספט גם הוא מעכב. פוספורילאז b פעיל רק כאשר האנרגיה בתא מאוד נמוכה.  אדנילאטקינאז מזרז את הריאקציה:  ברגע שרמת ATP יורדת ורמת ADP עולה מתרחשת הריאקציה. במצב תקין היחסים ביניהם 100:10:1 כך ששינויים בריכוז AMP מאוד רגישים למצב האנרגטי של התא, מה שהופך אותו לאפקטור אלוסטרי יעיל מאוד.

בכבד (פוספורילאזA  רגיש לשינוי) פוספורילאז a פעיל באופן מלא ללא קשר לרמת ATP, AMP, וגלוקוז 6-פוספט. בכבד: שונה בשני גורמים- 1) AMP אינו משפעל את פוספורילאז b. 2) פוספורילאז a עובר למצב בלתי פעיל ע"י היקשרות גלוקוז ( מ-R ל-T). פוספורילאז קינאז מזרחן את האנזים,1200KD. הפעלת האנזים מתרחשת ע"י זרחונו בעזרת פרוטאין קינאז a PKA המופעל ע"י הורמון  אפינפרין המתחיל מעגל CAMP. פוספורילאז קינאז מורכב מ-4 תת יחידות ?,?,?,?.  אתר קטליטי בתת-יחידה ? שאר היחידות לבקרה.זרחון בתת יחידה ? גורם לשפעול חלקי של האנזים. שפעול חלקי נוסף מתרחש בעת עלייה בריכוז Ca⁺² בתת יחידה ? שהיא בעצם החלבון קלמודולין המשופעל ע"י סידן בריכוז של 1?M (גירוי חשמלי גורם לעלייה בריכוז).

רק 2 הפעולות ביחד נותנות פוספורילאז קינאז פעיל. אין חשיבות לסדר השפעול. עלייה בריכוז יוני סידן תגרום ליותר פירוק של גליקוגן (האנזים פעיל יותר).אדנילאט ציקלאז מפעיל תהליך פוספורוליזה- עיכוב אדנילאט מעכב פירוק גליקוגן.

סינתזת גליקוגן: כמו בריאקציות אחרות הסובסטרט של גליקוגן סינתאז כבר משופעל. הסובסטרט הוא חיבור של UTP וגלוקוז 1-פוספט לקבלת גלוקוז-UDP ו-PPi. הגלוקוז מאוקטב ויכול לעבור לפולימר כמעט בלי שינוי ב- ?G. הריאקציה הפיכה ומה שקובע את הכיווניות זה הידרוליזה של פירופוספט  ל-2 אורתופוספט ע"י פירופוספטאז ולכן התגובה הכללית . גליקוגן סינתאז מזרז את ריאקציית הפלמור  מ גלוקוז-UDP לגליקוגן יחידת הגלוקוז הפעילה מועברת לקב' הידרוקסיל של פחמן 4 בקצה של גליקוגן ונוצר קשר גליקוזידי  (4-1)? ,יכול להוסיף יחידות גלוקוז רק אם שרשרת הפוליסכריד מכילה יותר מ- 4 יחידות סוכר-יש לו פריימר . הפולימר הקצר הראשון מופיע כתוצאה מפעילות החלבון גליקוג'נין המייצר את הפריימר . זהו חלבון שיכול לקשור קוולנטית גלוקוז כמונומר לשייר ה- Tyr בקב' פנול הידרוקסיל ספציפית בכל תת יחידה. 2 תת היחידות של החלבון עוזרות לבנות את השרשרת ולאחר שהשרשרת מספיק ארוכה 2 תת היחידות מתפרקות. בכל חלקיק של גליקוגן, לא משנה כמה נקי הוא, אפשר למצוא חלבון וניתן לצבוע אותו בצורה ספציפית. חלבון זה הוא גליקוג'נין שמחובר באופן קוולנטי לגליקוגן. כאשר השרשרת הליניארית מספיק ארוכה מתחיל לעבוד Branching Enzyme גליקוגן טרנספראז- בונה ענפים.

1הענף נוצר ע"י שבירת קשר (1-4)? ויצירת קשר (1-6). ? האנזים לוקח 7 מונומרים מהקצה, חותך אותם מהשרשרת ומעביר אותם לענף בקשר (6-1)?. החלק המועבר חייב לכלול את הקצה הלא מותמר וחייב להגיע משרשרת של לפחות 11 יחידות סוכר, ענף חדש שנוצר חייב להיות מרוחק בלפחות 4 יחידות מענף קיים.הסתעפות חשובה מאוד כיוון שיוצרת מס' רב של יחידות קצה שהם אתרי הפעילות של האנזימים של פירוק ויצירת גליקוגן וכך מגדיל את קצב סינתוז או פירוק הגליקוגן. גליקוגן סינתאז יכול להאריך כעת גם את הענף וגם את השרשרת.

בקרה של גליקוגן סינתאז : אנזים מפתח שנמצא תחת בקרה הורמונלית ואלוסטרית. גלוקוז הוא עובר זרחון בכמה מקומות, בעיקר זרחון מסיבי ב-C טרמינל וזרחון פחות מסיבי ב-N טרמינל, כך שיש שינוי רציני במטען החלבון.

גליקוגן סינתאז במצב המזורחן הופך ממצב a  ל-b שאינו פעיל בדר"כ! ,מצב B פעיל כאשר יש ריכוז גבוה של G-6-P אפקטור אלוסטרי חיובי של מצב b ,צורה a פעילה ללא תלול ב- G-6-P.ההורמון שמשפעל פירוק חייב לשתק סינתזה. זרחון גורם לפירוק להיות פעיל ולסנתוז להיות לא פעיל. הורדת זרחן מסיימת את פעילות והשפעת ההורמון- גליקוגן פוספורילאז וסינטאז הופכים ללא מזורחנים כתוצאה מפעילות פרוטאין פוספטאז 1 (PP1) קומפלקס בעל 3 יחידות :תת יחידה קטליטית PP1 37KD,תת יחידה רגולטורית R_G1 (נקשרת לגליקוגן וכך מקרבת יחידה קטליטית לסובסטרטים שלה- אנזימי הגליקוגן) 123KD. ויחידת מעכב1 תת יחידה קטנה רגולטורית , כאשר היא במצב מזורחן היא מעכבת את PP1. כאשר אין צורך בפירוק גליקוגן PP1 יעשה דפוספורילציה ויפסיק פירוק גליקוגן. PP1 גורם לדפוספורילציה של גליקוגן סינתאז ומשפעל אותו, כך שבעצם עיכוב הפירוק הוא מגביר סינתזה.PKA  אחראי על פוספורילציה של פוספורילאז קינאז וכך תורם לפירוק גליקוגן. בו זמנית הוא מעכב את PP1 ע"י פוספרילציה של R_G1 מונע ממנו להקשר ליחידה קטליטית מה שמונע קישור הסובסטרט ליחידה הקטליטית,בנוסף פוספולירציה של מעכב1 חוסמת קטליזה ע"י PP1 .  גם אנזים זה נמצא תחת בקרה הורמונלית: ברגע שיש אפינפרין יש שפעול של PKA ומשאיר את הפוספורילאז לא פעיל והסינתאז פעיל. כשאין אפינפרין אין שפעול של PKA. קשירת אינסולין לרצפטור טירוזין קינאז  מובילה לשרשרת פוספולירציה של חלבונים שבעקבותיה משופעל אינסולין סנסטיב פרוטאין קינאז המזרחן תת יחידה R_G1 של PP1  באתר שונה, בניגוד לאפינפרין הוא הופך את PP1 ליותר פעיל.

מעבר סיגנל מהורמון לפירוק גליקוגן: פעילות שרירים גורמת לשחרור של אפינפרין- גורם לפירוק גליקוגן בשריר, ברמה נמוכה בכבד. הכבד מגיב יותר לגלוקוגון שנאגר בקיבה ומשוחרר בתנאי רעב. 1.אפינפרין וגלוקגון נקשרים לרצפטורים 7TM ספציפים בממברנה החיצונית של תאי השריר או הכבד. אפינפרין נקשר ל-? אדרנג'יק רצפטור בשריר וגלוקוגון לגלוקוגון רצפטור בכבד. הקישור משפעל את תת יחידה  ? של חלבון G_s עקב שינוי מבני החל בממברנה ובחלבון בעקבות קשירת הורמון לרצפטור שלו. 2. GTP  נקשר לתת יחידה ?  חלבון G_s  שבצורת ?GTP משפעל אדנילאט ציקלאז- חלבון טרנסממברנלי המזרז יצירת שליח שניוני cAMP מ- ATP . 3. cAMP הוא קופקטור חיובי המשפעל  חלבון PKA ע"י קישור של cAMP ליחידות הרגולטוריות של החלבון  היחידות הרגולטוריות מתפרקות מהקטליטיות שעתה פעילות. 4. PKA מזרחן את תת יחידה ? של  פוספורילאז קינאז ואת גליקוגן סינתאז. זרחון זה מפעיל את פוספורילאז ובאופן סימולטני מעביר את גליקוגן סינתאז לצורתו הלא פעילה.בכבד קצת יותר מסובך: אפינפרין יכול לגרום לפירוק גליקוגן בכבד אך בנוסף לכך הוא נקשר לרצפטור נוסף ל- ל-? אדרנג'יק רצפטור אשר משפעל פוספוליפאז C שמאתחל מעגל שונה שבמהלכו יש עלייה בריכוז אינוזידול 1,4,5 טריפוספט ושחרור של יוני סידן מה- ER מה שגורם לשפעול חלקי של פוספורילאז קינאז . קישור סימולטני של גלוקוגון ואפינפרין גורם לפירוק גליקוגן מקסימלי בכבד. הפסקת הסיגנל:  1. פעילות GTPase  של חלבון G. 2. בנוסף התאים מכילים אנזימים פוספודיאסתראז שהופכים cAMP ל-ATP. 3.חלבון PKA מוסיף קב' פוספריל לתת יחידה ? של פוספוליראז קינאז לאחר זרחון ראשון של ?, הפוספורילציה גורמת לאנזים להיות סובסטרט יותר טוב לדהפוספורילציה ולהפיכתו למצב לא פעיל ע"י האנזים PP1 הנקשר חזק לפוספורילאז a אך הוא במצבו הפעיל רק לאחר היקשרות של גלוקוז אז הוא מסיר את קב' הפוספוריל והופך אותו למצב לא פעיל b בעל אפיניות נמוכה PP1 שמשתחרר ובעקבות כך יש שפעול של גליקוגן סינתאז - וכך רמת הגלוקוז בדם משפיעה על המטבוליזם של גליקוגן.אינסולין מגביר את סינתזת גליקוגן בעוד שגלוקגון ואפינפרין מזרזים את פירוקו.

שאלות: אם ניצלנו את כל הגליקוגן בשריר האם אפשר לסנתז גלוקוז דרך גלוקונאוגנזה? לא. צריך אנזים גלוקוז 6-פוספטאז שאיננו נמצא בשריר.

התפקיד העיקרי של הממברנה הוא להפריד בין חללים שונים. הממברנה מורכבת מחומרים אמפיפטיים, ואם הפוספוליפידים מאורגנים במבנה דו-שכבתי אזי מ-2 הצדדים פני השטח הידרופיליים ותוך הממברנה הידרופובית. דומה מתמוסס בדומה. חומרים מסיסים במים לא יתמוססו בפאזה ההידרופובית, מכאן שכל החומרים הפולאריים והטעונים לא יחדרו את הממברנה. מולקולות גזים (O_2,N_2,CO₂) כן יכולות לחדור את הממברנה כי אינן פולאריות ואין טעונות (אע"פ שמסיסות במים).

חומרים קטנים לא טעונים (אע"פ שפולאריים), כמו אתנול ואוריאה, חודרים את הממברנה.

מים- המסיסות של מים בשמן אינה אפסית והמים מולקולה קטנה. ריכוז מים במים הוא מאוד גבוה (M55) ולכן החדירות של מים מהירה (לא קלה). חדירות המים את הממברנה קובעת את תופעת האוסמוזה.

מולקולות גדולות לא טעונות, גלוקוז, מעט פולארית אך בשל הגודל שלה לא חודרת את הממברנה.

יונים, אורגנים ואי אורגנים, טעונים ולכן אף פעם לא חודרים את הממברנה. בדומה: ח' אמינו, נוקליאוטידים, G6P אינם חודרים את הממברנה. בכדי להבטיח חדירות של חומרים שונים יש להכניס לממברנה עוד משהו. ריכוז היונים בתא שונה מריכוזם בדם: ריכוז K⁺ בתוך התא 400mM לעומת 20mM בדם, ריכוז Na⁺ בתא 50mM לעומת 440mM בדם, ריכוז Cl^- בתא 40-150mM לעומת 560mM בדם, ריכוז Ca²⁺ בתא 0.0003mM לעומת 10Mm בדם. מה יכול להבטיח כניסה ויציאת ובניית מפלי ריכוזים? חלבונים שנמצאים בממברנה. החלבונים מעניקים לממברנה חדירות - ספציפיות וכיוון מסוים. אפשר לדרג את החדירות ל-2 סוגים: טרנספורט פסיבי ואקטיבי. ברוב התאים: מחוץ לתא המטען הוא 0mV ובתוך התא המטען הוא ~-70mV בגלל המצאות חומרים בעלי מטען שלילי בתוך התא שאינם בעלי יכולת לצאת מהתא. טרנספורט פסיבי- אינו דורש השקעת אנרגיה חיצונית. יש להבטיח חדירות ממברנה- הכוח המניע הוא מפל הריכוזים. חומרים העוברים בעצמם את הממברנה עוברים בדיפוזיה רגילה. חומרים שלא חוצים את הממברנה זקוקים לעזרה, מנגנון זה נקרא "דיפוזיה מזורזת". מתרחש ע"י חלבוני תעלות.ב"דיפוזיה מזורזת" מעבר חומרים נקבע לפי מפל הריכוזים. מה שמבדיל בין דיפוזיה פשוטה למזורזת זוהי תלות של קצב ההעברה בריכוז או במפל הריכוזים. בדיפוזיה רגילה קצב העברה תלוי במפל הריכוזים באופן ליניארי ובדיפוזיה מזורזת התלות היא היפרבולית (כמו גרף מיכאליס מנטן). נבדוק חדירות חומרים בממברנה סינתטית (רק פוספוליפידים) ונשווה לחדירות חומרים בממברנה רגילה. ממברנה סינתטית- חדירות המים היא 0.005 וחדירות גלוקוז קטנה ב-7 סדרי גודל (גלוקוז גדולה ממים). חדירות יונים קטנה ב-2 סדרי גודל מגלוקוז. ממברנה טבעית-  החדירויות שונות וזה נובע מקיום של נשאים בממברנה. חדירות גלוקוז 0.00002 גדולה ב-5 סדרי גודל מבסינתטית. קיים נשא שמזהה גלוקוז ומעביר אותו את הממברנה. חדירות Cl^- גבוהה ב-7 סדרי גודל מבסינתטית וכנ"ל גם לגבי Na⁺ ו- K⁺ (ב-3 סדרי גודל). ניתן לזרז את החדירות בעזרת חלבונים ממברנליים אינטגרליים, בעלי מקטעים הידרופוביים.

קיימים 2 מנגנוני "דיפוזיה מזורזת":

1) תעלות- החלבון מתקפל לתעלה מימית שעוזרת לחומר אחר לחצות את הממברנה (חור).

2) טרנספורטרים/נשאים- החלבון עוטף חומרים קטנים ומעביר אותם לצד השני של הממברנה.

ההעברה היא בעצם שינוי קונפורמציה של החלבון כך שאתר הקשירה של החלבון יופיע בצד השני של הממברנה. החומרים שעוברים דרך נשאים אלו הם חומרים הקטנים מהממברנה. החלבונים בטרנספורט פסיבי בעלי ספציפיות לחומרים. לחלבון שמעביר חלבון יש ספציפיות מאוד גבוהה עד שמבדיל בין D גלוקוז לL גלוקוז.

ולינומצין (אנטיביוטיקה)-נשא של אשלגן דרך הממברנה אמפיפטי ולכן יכול לעבור בקלות מסביבה מימית לממברנה, בעל מבנה ספרי ויוצר קומפלקס יציב מאוד עם אשלגן, עובר דההיטרטציה לאחר קישור אשלגן ולכן מסיס בממברנה, פועל ע"פ מפל ריכוזים.

גראמיצידין A- דוגמא נוספת לאנטיביוטיקה משמשת כתעלת מעבר ליונים. אנטיביוטיקה זו מחוררת את הממברנה ונגדה אין עמידות. מדובר בפוליפפטיד קצר שמבנהו ? הליקס. 2 סלילים בונים תעלה בממברנה שעוזרת לקטיונים לחדור את הממברנה. כל מולקולת גראמיצידין בונה 0.5 תעלה. המאפיין דיפוזיה מזורזת ומבדיל אותה מדיפוזיה פשוטה זה תלות קצב מעבר במפל הריכוזים. בדיפוזיה רגילה התלות היא ליניארית ובדיפוזיה מזורזת התלות עם סטורציה. הדיפוזיה תלויה בריכוז הקומפלכס. יש מס' מוגבל של אתרי קשירה בחלבון- ריכוז הקומפלכס תלוי בריכוז החלבון. קצב הטרנספורט המזורז נקבע ע"י ריכוז הקומפלכס נשא+סובסטרט הטרנספורט. מקבלים פונק' סטורציה עם פרמטר המאפיין אפיניות נשא לסובסטרט. Km- בדיוק כמו במיכאליס מנטן, ריכוז סובסטרט שנותן 0.5Vmax זהו Km עבור טרנספורט. דיפוזיה מזורזת מוגבלת מבחינת המהירות לא כמו דיפוזיה רגילה. מה שמאפיין את קצב דיפוזיה רגילה זה מקדם הדיפוזיה (השיפוע). ;  ; עבור חומרים הנכנסים לתא: ; ; F=23.1kcal/V*mol בשאלות מסוג זה יש לשים לב לכיוון וליחידות. קצב העברה של תעלה הרבה יותר גבוה משל נשא כיוון שנשא צריך לעבור שינוי קונפורמציה בשביל העברה דבר הלוקח זמן רב, בתעלה יש שינוי חד פעמי- פתיחת התעלה. סיבה נוספת היא שתעלה היא "חור", היונים עוברים דרכה בחופשיות ואילו בנשא מדובר בקשירת חומר והוצאתו- אין מעבר חופשי של חומרים. גם לתעלות וגם לנשאים ספציפיות.השוואה בין אנזים לתעלה/נשא: דומה-מיכאליס מנטן,אתר פעיל, יצירת קומפלקס, שונה- תעלות מזרזות תהליך פיזיקלי ולא כימי, אין תוצר חדש.

חשיבות פוטנציאל חשמלי כמע' מעבר סיגנלים- מבחינים ב-2 סוגי תעלות: תעלות תלויות ליגנד: בעקבות קשירת ליגנד לתעלה יש פתיחה שלה. דוגמא אצטיל כולין רצפטור.

תעלות תלויות מתח: יש פתיחת התעלה בגלל שינוי במתח, שינוי בפוטנציאל ממברנה. דוגמא: תעלת אשלגן. בתעלות מסוג זה החלק שרגיש לשינוי במתח voltage sensor קולט מידע לפתיחת התעלה. Gate- השער, החלק שנפתח או נסגר כתוצאה משינוי במתח. Pore- הסלקטיביות הראשונית של התעלה. יש הגבלת גודל, לא ספציפי. יכולים להיכנס לpore כל מיני חומרים, בעיקר לפי גודל. Filter- מעניק לתעלה את הספציפיות שלה. תעלות תלויות מתח בעלות ספציפיות גבוהה.

תעלת אשלגן: יש לה פילטר מאוד ספציפי. בנויה מ-4 תת יחידות שכל תת יחידה היא בעצם 2 שרשראות ? הליקס, כאשר הפילטר הוא באזור החיבור של 4 תת יחידות. פתח הpore  A10 ופתח הפילטרA  3. נתרן לא יעבור בה. יוני נתרן יותר קטנים מיוני אשלגן אך זוהי לא הסיבה העיקרית. ההסבר נעוץ במבנה הפילטר. היונים קשורים למולקולת מים ובשביל לעבור בתעלה הם צריכים לעבור דהידרטציה. בעת היציאה הם עוברים הידרטציה בחזרה. בפילטר הסלקטיבי יש קב' שעוטפות את האשלגן כאילו היה עטוף במולקולות מים. המרחקים מותאמים לגודל אשלגן- מבנה ספציפי לאשלגן. יש צורך בהשקעת אנרגיה על מנת שאשלגן יעבור דהידרטציה ויש שחרור אנרגיה בקישור אשלגן לתעלה- סה"כ ?G שלילי. דהידרטציה של יוני נתרן דורשת יותר אנרגיה ובקשירת נתרן לתעלה יש שחרור נמוך יותר של אנרגיה- סה"כ ?G חיובי. יכולים להקשר 4 יוני אשלגן לפילטר בו זמנית. מדובר בתהליך מתמשך: אשלגן נכנס לפילטר ואז בא עוד יון להקשר, נוצרת דחייה ויון האשלגן הראשון עובר אתר קשירה ומאפשר ליון שנכנס להקשר לתעלה- כל יון שנכנס "דוחף" את זה שלפניו.

תעלת נתרן: תלויית מתח. הפילטר הסלקטיבי שלו זה בעצם הגודל. נתרן עובר את התעלה ללא הידרטציה. אורך הפילטר 5 A. פוטנציאל פעולה: העברת אימפולס עצבי, או מתא עצב לתא עצב שכן או מתא עצב לתא שריר. התעלה הראשונה שגורמת לתחילת הפעולה

אצטיל כולין רצפטור-  הליגנד הוא אצטיל כולין. בנויה מ-5 תת יחידות כשאצטיל כולין יכול להקשר ב-2 אתרים. כשאצטיל כולין נקשר לרצפטור התעלה נפתחת ויש מעבר קטיונים. יש כניסת נתרן ויציאת אשלגן וכך נוצר פוטנציאל פעולה (אצטיל כולין נקרא נוירוטרנסמיטור). בין תא עצב לתא שריר יש מרווח קטן (המרווח הבינסינפטי). יש שחרור של וסיקולות שבהן אגור אצטיל כולין. האצטיל כולין משתחרר וגורם להתחלת פוטנציאל פעולה בתא העצב או השריר. האימפולס מתחיל משחרור אצטיל כולין מהתא הפרהסינפטי (מעביר). לאחר מכן אצטיל כולין נקשר לאצטיל כולין רצפטור שנמצא על התא הבא (פוסט סינפטי). יש פתיחה של התעלה ובעיקר כניסת יוני נתרן לתוך התא. הדבר גורם לירידה במטען שבתוך התא (דפולריזציה), פחות מטען שלילי בתוך התא. תעלת נתרן תלויית המתח נפתחת ב- ~-40mV ובגלל הדפולריזציה יש פתיחה של תעלת הנתרן. נתרן יעבור לפי מפל ריכוזים מחוץ התא לתוכו. מתרחשת שוב דפולריזציה, פידבק חיובי יגרום לפתיחת עוד תעלות נתרן תלויות מתח. כעת, נכנסות לפעולה תעלות אשלגן תלויות מתח, כלומר, בנוסף לתעלות הנתרן יש פתיחה של תעלות האשלגן. תעלות הנתרן מתחילות להסגר, אשלגן יוצא מהתא- היפרפולריזציה. המטען השלילי גדל (מחיובי לשלילי).אצטיל כולין אסטראז הוא אנזים שמפרק אצטיל כולין ונמצא במרווח הבינסינפטי. הוא יכול להיות מעוכב ע"י גז עצבים וע"י פוספטים אורגניים. לאנזים יש סרין באתר הפעיל והפגיעה באנזים היא בו. (כגון פעולת גז עצבים סרין)

טרנספורט אקטיבי- מעבר חומרים נגד מפל הריכוזים, יש צורך בהשקעת אנרגיה לחדירות זו.רבע מצריכת האנרגיה בתא רגיל הולך לטרנספורט, ליצירת מפלי ריכוזים של יונים וחומרים אחרים. מע' טרנספורט זהו חלק חיוני במע' החי.

מנגנונים של טרנספורט אקטיבי:

1) משאבות יוניות.

2) קוטרנספורט (טרנספורט אקטיבי משני).

3) טרנספורט ע"י מודיפיקציה קוולנטית.

מושגים הקשורים:

אנטיפורט- כאשר טרנספורט מצומד של חומר אחד לכיוון אחד וחומר אחר לכיוון מנוגד. החלפת 2 חומרים.

סימפורט- צימוד לכיוון אחד. 2 חומרים שעוברים ביחד לאותו כיוון.

אלקטרוגני- במהלך המעבר נוצר פוטנציאל חשמלי בנוסף לפוטנציאל ריכוזי. החלפה של מטען נטו-אנטיפורט. אלקטרונייטרלי- אין מעבר של מטען נטו. טרנספורט מזורז אקטיבי- מזורז ע"י משאבות, נגד מפל הריכוזים, יש השקעת ATP. מעבר חומר דרך הממברנה מצומד לפירוק ATP.

תעלות- טרנספורט מזורז, יכול להיות גם פסיבי. ע"י חלבון נשא שקושר חומר מצד אחר ומשחרר מצד שני. יש סוגים שונים של נשאים- יוניפורטר (רק עם חומר אחד) וסימפורטר/אנטיפורטר (סוגים של קוטרנספורט). בסימפורטר ובאנטיפורטר כיוון המפלים יכול להיות מנוגד או באותו כיוון, מה שקובע את הכיוון זה הגודל היחסי של מפל הריכוזים- אם סכום המפלים הוא לכיוון אחד זה יהיה כיוון הטרנספורט.

תכונות של טרנספורטרים: חלבונים אלו הם חלבונים ממברנליים, אי אפשר לנקות אותם בשיטות רגילות. יש להוציאם מהממברנה ולהשאירם במצב הנטיבי בעזרת דטרגנטים. דטרגנטים מתחרים עם הפוספוליפידים וממיסים אותם בפאזה מימית. לאחר שמבודדים את החלבון מרכיבים אותו מחדש בממברנה מלאכותית- וסיקולות, ליפוזומים מלאכותיים- רקונסטיטוציה. בונים מערכת "טבעית" רק שהממברנה מכילה רק חלבון אחד. כך ניתן ללמוד ריאקציה של מעבר חומר דרך הממברנה. מאפייני נשאים: אפיניות לחומר וקצב העברה. שיטה אחרת מאוד נפוצה לחקר נשאים ותעלות בממברנה טבעית:

פאטצ' קלאב- משתמשים בפיפטת זכוכית עם קצה מאוד דק (קוטרה כמה מיקרונים, כגודל התא).

מתקרבים איתה לתא ומתחילים לשאוב ואז:

1) לנער- הצד החיצוני נשבר. בפיפטה יש אלקטרוליט וניתן למדוד זרם חשמלי. אם יש תעלה אז נוכל לבדוק חדירות יונים דרך הממברנה. ניתן להחליף תמיסה חיצונית או פנימית ולבדוק האם יעבור נתרן או אשלגן, מהו סוג החדירות, קצב, תלות במפל הריכוזים.

2) לשאוב קצת יותר חזק כך שהחלק הפנימי יישבר ותכולת התא תישפך לתוך הפיפטה, כך נוכל למדוד את חדירות הממברנה לכיוון אחר.

תעלות יכולות להיות ב-2 מצבים: פתוחה וסגורה. כאשר התעלה סגורה החדירות מאוד נמוכה ומאופיינת ב- pA (10^-12A). תעלה מאופיינת ע"י כמה פרמטרים- הכי חשוב זה הספציפיות ליון מסוים. בתעלה לנתרן החדירות של אשלגן מאוד נמוכה ובתעלה לאשלגן החדירות של נתרן מאוד נמוכה. אילו כוחות קובעים את כיוון וקצב ההעברה? ישנה כוס המחולקת ל-2 ובאמצע מחיצה, אין חדירות ומעבר יונים בין 2 חצאי התא. הריכוז כולל של הקטיונים והאניונים ב-2 התמיסות שונה, הלחץ האוסמוטי שונה. מה שקיים זה מפל ריכוזים של נתרן ואשלגן. אם נמדוד את פוטנציאל התא נראה שעל המחיצה הפוטנציאל 0. נפתח רק חדירות לנתרן על המחיצה. יוני נתרן ינועו מצד אחד לשני לפי מפל ריכוזים- יש העברה נטו של מטען וזה גורם למפל חשמלי על המחיצה. מה שקובע את הכיווניות זה פוטנציאל אלקטרוכימי ??. משוואת נרנסט:     Z-מטען, F-קבוע פארדיי, ??- הפרש מפלים חשמליים. הטרנספורט ייעצר כאשר המערכת תגיע לשוו"מ  ??=0, כלומר .במקרה של קטיון חד ערכי 1=Z, המינוס מצביע על כיוון ?? מנוגד למפל הריכוזים. בשביל קטיון חד ערכי בטמ"פ החדר RT/ZF=59mV  כאשר ln הופך ל-log. כך ניתן לחשב פוטנציאל שיופיע על מד מתח. אם פותחים מעבר לקטיון אחד ומפל הריכוזים הוא פי 10 אזי ??=-59mV. משוואת נרנסט מאפשרת חישוב מפל ריכוזים/פוטנציאל חשמלי ליון מסוים.

משאבות יוניות: מנצלות אנרגיה של ATP כדי להניע מעבר יוני נגד מפל הריכוזים ובונות מפל ריכוזים על ממברנות שונות. 25% מרווח האנרגיה המתקבל מATP  הולכים לבניית מפל ריכוזים במשאבות יוניות. המשאבות היוניות מדורגות לפי 3 סוגים עיקריים: class P: שמן נובע מתכונה עיקרית של המשאבות- במהלך פעילותן עוברות מודיפיקציה קוולנטית ע"י פוספט שמגיע מATP המפורק באתר הפעיל של המשאבה. זהו שלב הכרחי, חיוני. מתעסקות בהעברת יונים חד ודו ערכיים H⁺, Na⁺ ,K⁺, Ca⁺². נמצאות גם בממברנה ציטופלסמטית של כל התאים האאוקריוטים, גם בממברנה פלסמטית של צמחים, חיידקים ופטריות. עובדות כמשאבות ובונות מפל יונים על חשבון פירוק ATP.  Class F: שמן נובע מפקטור הצימוד (F). מעבירות אך ורק יוני מימן ותפקידן סינתזת ATP במיטוכונדריה על חשבון מפל פרוטונים על הממברנה. זוהי משאבה הפיכה ויכולה לבנות מפל ריכוזים על חשבון ATP. נמצאות בממברנה של כלורופלסטים (ATP על חשבון אור- פוטוסינתזה), תילאקואידים ובממברנה פלסמטית של חיידקים.

 Class V: משאבות שמצויות בואקואלות (איברים תוך תאיים שתפקידם לאכסן פסולת, או שנוצרים כתוצאה מאנדוציטוזה).מעבירות פרוטונים בלבד. דומות במבנה ל-F אך תפקידן לבנות מפל פרוטונים על הממברנה על חשבון ATP. המטרה לגרום לחומציות החלל הפנימי של ואקואלות, תפקידן לפרק חלבונים או פסולת וב-pH נמוך פירוק חלבונים או חומרי פסולת מתרחש מהר יותר.

משאבת נתרן-אשלגן: נמצאת בממברנה פלסמטית של רוב התאים האאוקריוטים. תפקידה להעביר 3 יוני נתרן החוצה ו-2 יוני אשלגן פנימה על חשבון פירוק  ATP.  במצב נורמלי ריכוז נתרן מחוץ לתא גבוה ובפנים נמוך (145mM לעומת 12mM) וריכוז יוני אשלגן בחוץ נמוך ובפנים גבוה (140mM לעומת 4mM). פעילות המשאבה גורמת למצב פיזיולוגי זה. טרנספורט זה הוא אלקטרוגני (אין שוויון במס' היונים היוצאים ונכנסים), נוצר פוטנציאל חשמלי על הממברנה של ~50-60mM עם מטען חיובי מחוץ לתא ושלילי בתוכו. פוטנציאל זה מאפשר הנעה של טרנספורט משני. בעזרת המשאבה מקבלים פוטנציאל אלקטרוכימי על הממברנה שמתפרש מיד (מהר) על כל פני שטח הממברנה וכך מספק אנרגיה לכל מקום שם נדרש מעבר חומרים דרך הממברנה. פוטנציאל חשמלי הוא המקור להעברת אותות במע' העצבים. פוטנציאל פעולה- סיגנל חשמלי שנוצר בקצה תא עצב, מתפזר לאורך התא וגורם להעברת אותות. מבנה המשאבה: 2 תת יחידות ? ו2 תת יחידות ?. בתת יחידות ? האתר לקישור ATP פונה לתוך התא והאתר לקישור סטרואידים פונה החוצה. זוהי תעלה אסימטרית. מה שמאפיין מפל ריכוזים זה הכיוון. המשאבה היא אנזים! משאבה מקטלזת ריאקציה של העברת יונים דרך הממברנה, יש פירוק ATP- פעילות אנזימטית. הסובסטרט: יונים ו-ATP. התוצר: ADP+P_i ומפל ריכוזים. העברת יונים נגד מפל ריכוזים זוהי עבודה כימית, יש צורך להשקיע אנרגיה לביצוע עבודה ואנרגיה זו באה מפירוק ATP. מנגנון פעולה: לאנזים אתרי קשירה לנתרן ולאשלגן. בשלב ראשון 3 יוני נתרן נקשרים עם אפיניות גבוהה מהצד הפנימי של הציטופלסמה- מאפשר פירוק ATP. מתרחש זרחון (על אספרטט ונוצר קשר קוולנטי פוספוריל אספרטט) והצורה המזורחנת של האנזים מקבלת קונפורמציה שונה כך שתאי הקשירה של נתרן פונים החוצה. קונפורמציה זו מאופיינת באפיניות נמוכה לנתרן מה שגורם לדיסוציאציה של יוני הנתרן. לאחר מכן מתאפשרת פתיחה ואסוציאציה של יוני אשלגן מהצד השני. קישור יוני אשלגן מאפשר דפוספורילציה והחזרת האנזים לצורתו המקורית.

האנזים יכול להיות ב-2 צורות: ₁E ו-₂E. ההבדל ביניהן אוריינטציה ואפיניות ליוני נתרן ואשלגן. 2 הצורות יכולות להיות במצב מזורחן ולא מזורחן. זרחון ₁E דורש קישור של יוני נתרן ו-ATP. הצורה E₁-P אינה יציבה ומשנה קונפורמציה ל- E₂-P. צורה זו מאופיינת ע"י אפיניות גבוהה לאשלגן ונמוכה לנתרן- נתרן עובר דיסוציאציה ואשלגן נקשר. קישור אשלגן הוא תנאי הכרחי לדפוספורילציה והפיכת האנזים למצב לא מזורחן ₂E. ₂E אינה יציבה והופכת באופן ספונטני ל- ₁E.

דבר זה מחזיר את המשאבה לאפיניות גבוהה לנתרן ונמוכה לאשלגן כשאתרי הקשירה פונים פנימה. גורם לדיסוציאציה של אשלגן לתוך הציטופלסמה, קשירת נתרן וחוזר חלילה.

פוספורילציה/דפוספורילציה וקישור נתרן/אשלגן הם תהליכים מצומדים.

תפקידים עיקריים: היא שומרת על יציבות לחץ אוסמוטי בתא, משפיעה על ריכוזי כל היונים שבתא. שומרת על ריכוז גבוה של אשלגן בתוך התא, אשלגן הוא קופקטור של הרבה אנזימים בתא שלא יפעלו ללא אשלגן. שומרת על פוטנציאל הממברנה- בפנים מטען שלילי ביחס לחוץ. היא מחזירה למצב התחלתי תאים שעברו תהליך של פוטנציאל פעולה. גורמת ליצירת אנרגיה לטרנספורט. גורמת ליצירת חום.

2 חומרים מעכבים למשאבה אלו הם חומרים שנמצאים בתמצית הצמח דיגיטליס- אואבאין ודיגיטאוקסיגנין. מעכבים את שלב הדפוספורילציה, האנזים נשאר במצב E₂-P ומפל ריכוזים נתרן-אשלגן מתחיל להתפזר  . מה שקובע בעיקר את פוטנציאל הממברנה זה אשלגן תעלות אשלגן יותר פעילות מנתרן. ניתן להוכיח זאת ע"י הצבה במשוואה במצב רגיל של T=310K, שוו"מ ופעילות משאבה נורמלית והשוואת התוצאה למצב שבו המשאבה מעוכבת (Cin קטן ו-Cout גדל). רואים שמתרחשת דפולריזציה, כלומר נתרן משפיע פחות על פוטנציאל הממברנה מאשר אשלגן. Ouabain: מעכב משאבת נתרן-אשלגן. הוא נקשר לאתר הקשירה של האשלגן (כלומר בחוץ), אם הוא קשור למשאבה היא פועלת פחות טוב. עיכוב המשאבה יכול לגרום לפעילות טובה יותר של הלב! כיצד? אם המשאבה מעוכבת אז פחות יוני נתרן יוצאים החוצה. יש אנטיפורטר של נתרן וקלציום- נתרן נכנס לפי מפל ריכוזים וקלציום יוצא מהתא כנגד המפל. אם המשאבה פחות פעילה אז האנטיפורטר עובד פחות ויש פחות יציאת סידן. ריכוז הסידן בתא גבוה מה שמאפשר התכווצות שרירים טובה יותר- כלומר הלב עובד טוב יותר.

משאבת סידן: נמצאת בממברנה של הרטיקולום האנדופלסמטי. הרטיקולום הוא מאגר ליוני סידן. משאבת הסידן אחראית להעברת סידן ל-ER (או סארקופלסמטי בשרירים). משאבת סידן מסוג P, כלומר כוח מניע זה פירוק ATP ובאמצע יש אנזים מזורחן. לאנזים 3 דומיינים: N- לקשירת ATP. A- להתמרת אנרגיה וP- עובר זרחון, Asp351 עוברת זרחון. זרחון ח' אמינו אחת בחלבון ענק גורם לשינוי קונפורמציוני.

מנגנון הפעולה: מאוד דומה לנתרן-אשלגן. ל- ₁E נקשרים 2 יוני סידן. פירוק ATP וזרחון מותנים בקשירת סידן. זרחון מעביר מ-E₁ ל-E₂. בצורה זו אתר הקשירה פתוח לצד השני של הממברנה. יש שחרור סידן ודפוספורילציה. יש לנו ₂E לא יציב שהופך בחזרה ל-₁E. לצורה ₂E יש אפיניות גבוהה לסידן מהצד הציטופלסמטי. קישור סידן מאפשר פירוק ATP וזרחון ₁E. הזרחון מעביר לצורה ₂E כשאתר הקשירה פונה לתוך ה-ER ומאופיין באפיניות נמוכה לסידן. שחרור סידן מאפשר דפוספורילציה. ₂E חופשי אינו יציב והופך חזרה ל-₁E וחוזר חלילה. פעילות משאבת נתרן-אשלגן חשובה מאוד לאספקת אנרגיה לטרנספורט אקטיבי משני. המשאבה בונה מפל ריכוזים ומפל חשמלי וניתן לנצל זאת כדי להניע מעבר גלוקוז מחוץ התא לתוך התא נגד מפל הריכוזים של גלוקוז (למשל). מפל ריכוזים של נתרן מניע מעבר גלוקוז נגד מפל הריכוזים.

בחיידקים: מתרחש טרנספורט של לקטוז על חשבון מפל פרוטונים. ATP-ADP translocase: נשא. דורש השקעת אנרגיה. מעבר ATP ל-ADP הוא אלקטרוגני (3- לעומת 2-). נוח לזרז את ההחלפה ע"י מפל חשמלי על הממברנה.

למטאבוליזם 3 כניסות עיקריות: שומנים, חלבונים, סוכרים. בשלב שני המסלולים מתחברים בצומת אחת שבאמצעה עומד אצטיל CoA. ומהצומת לא ניתן לדעת מהיכן הגיע האצטיל ל- CoA. בשלב השלישי- השלב האירובי. מכונת עיבוד של  אצטיל CoA הוא מעגל קרבס. CoA הוא קופקטור שתפקידו לשפעל קב' המחוברת אליו- הכי נפוצה אצטיל. שפעול=עלייה באנרגיה חופשית. השלב של כניסת פירובט למעגל קרבס ומעגל קרבס נמצאים במיטוכונדריה- במטריקס.

מעגל זה הוא קטבולי ואנאבולי. תפקידו לייצר נשאי אלקטרונים. בתאים אאוקריוטים, מעגל קרבס נמצא במיטוכונדריה והגליקוליזה בציטוזול. הקשר בין הגליקוליזה למעגל קרבס הוא דקרבוקסילציה אוקסידטיבית של פירובט ( מועבר למיטוכונדריה ע"י אנטיפורטר) המתרחשת בתוך המטריקס: תהליך בלתי הפיך המזורז ע"י הקומפלכס פירובט דהידרוגנאז. תג' נטו של המעגל:  במעגל קרבס מתרחשות 4 תגובות חמצון-חיזור. ריכוז אוקסלואצטט לא משתנה במהלך התג', כמו כן אצטיל CoA. במהלך התג' רק אצטיל CoA מתחמצן ל-CO₂ וכל שאר החומרים מתמחזרים. שני אטומי הפחמן העוזבים את המעגל שונים מאלו שנכנסו אלי- נכנסו מקב' האצטיל ויצאו בתור CO₂. 4 זוגות אטומי מימן עוזבים את המעגל ב-4 תג' חמצון.2 מולקולות NAD⁺ מחוזרות בדקרבוקסילציות האוקסידטיביות של איזוציטרט ו-? קטוגלוטרט. מולקולת FAD מחוזרת בחמצון סוקצינאט ומולקולת NAD⁺ אחת מחוזרת בחמצון מאלאט. חמצן- מקבל אלקטרונים אולטימטיבי. מעגל קרבס זהו תהליך אאירובי בלבד וזאת כיוון ש-NAD⁺ ו-FAD יכולים להיווצר במיטוכונדריה רק דרך מעבר אלקטרונים לחמצן מולקולרי. שלב 1: אוקסלואצטט (4 פחמנים), אצטיל CoA (2 פחמנים) ומים מגיבים ליצירת ציטרט (6 פחמנים) ו-CoA. ציטרט סינתאז: אוקסלואצטט מגיב תחילה עם אצטיל CoA ליצירת ציטריל CoA מבנה ביניים תיאואסטרי בעל אנרגיה גבוהה ולכן הידרוליזה זו מושכת את התג' לכיוון סינתזת ציטרט וCoA.. שלב 2: ציטרט עובר איזומריזציה לאיזוציטרט. האיזומריזציה מתרחשת על מנת לאפשר לציטרט לעבור דקרבוקסילציה אוקסידטיבית. היא מתרחשת ע"י שלב דהידרציה ואחריו הידרציה, בעצם יש החלפה פנימית של H⁺ ו-OH^-. שני שלבים אלו מזורזים ע"י אקוניטאז אנזים ברזל-גפרית. שלב 3: איזוציטראט מגיב עם NAD⁺ לקבלת ?-קטוגלוטראט, CO₂ ו-NADH. שלב חמצון חיזור ראשון. אוקסלוסוקצינט הוא חומר ביניים בתג' זו. האנזים המזרז ריאקציה זו הוא איזוציטרט דהידרוגנאז. שלב 4: ?-קטוגלוטראט מגיב עם NAD⁺ ו-CoA בתג' דקרבוקסילציה אוקסידטיבית שנייה לקבלת סוקציניל CoA, CO₂ ו-NADH. תג' זו מזורזת ע"י האנזים ?-קטוגלוטראט דהידרוגנאז (הומולוגי לפירובט דהידרוגנאז, אותו מכניזם). שלב 5: סוקציניל CoA מגיב עם Pi ו-GDP לקבלת סוקצינאט, GTP ו-CoA (תג' שוו"מ). סוקציניל CoA הוא תרכובת תיואסטרית עתירת אנרגיה. חיתוך הקשר האסטרי של תרכובת זו מצומד לפוספורילציה של GDP. זהו השלב היחיד במעגל אשר מפיק באופן ישיר קשר פוספטי עתיר אנרגיה. התגובה מזורזת ע"י

סוקציניל CoA סינתאז - הטרודימר  ?₂?₂שלב 1 בתג' החלפה של CoA ב-Pi ויצירת מבנה ביניים בעל פוטנציאל אנרגיה גבוה סוקציניל-פוספט, שייר היסטידין מתת יחידה ? מסיר את קב' הפוספוריל ויוצר סוקצינט ופוספוהיסטידין, שייר הפוספוהיסטידין מתנדנד לעבר GDP הקשור בתת יחידה ? וקב' הפוספוריל מועברת ליצירת GTP  .

שלב 6: אוקסלואצטט נוצר מחדש ע"י חמצון סוקצינאט. סוקצינאט מותמר לאוקסלואצטט ב-3 צעדים: 1)שלב חמצון בו סוקצינאט הופך לפומראט. FAD מקבל 2 מימנים בשלב זה כיוון ששינוי האנרגיה החופשית אינו מספיק לחזר NAD⁺. מזורזת ע"י סוקצינאט דהידרוגנאז.חלבון ברזל-גפרית, מעוגן ישירות לממברנה פנימית במיטוכונדריה ומשתתף ישירות בשרשרת העברת e, FAD קב, פרוסטטית לא עוזב את האנזים 2) שלב הידרציה בו פומראט הופל ל- L-מאלאט. האנזים הוא פומראז- מזרז תוספת טרנס סטראוספציפית של H ו-OH. 3) שלב חמצון נוסף בו L-מלאט ו-NAD⁺ מגיבים לקבלת אוקסלואצטט, NADH ו- H⁺ (תג' שוו"מ) ריאקציה יחידה בעלת אנרגיה חופשית חיובית במעגל החמצון קורה עקב העלמות התוצרים. תגובה זו מזורזת ע"י מלאט דהידרוגנאז. NAD⁺ הוא שוב פעם מקבל האלקטרונים. NADH ו-FADH₂ עוברים לממברנה הפנימית של המיטוכונדריה ושם מתחמצנים ע"י O₂. תוך כדי חמצון יש צימוד לזרחון. התוצרים העיקריים של מעגל קרבס: 8 אלקטרונים. קרבוקסילציה של פירובט: תג' המזורזת ע"י פירובט קרבוקסילאז. פירובט עובר לאוקסלואצטט, משמעות- חידוש מעגל קרבס.

פירובט דהידרוגנאז. זהו קומפלכס המורכב מ-3 סוגי אנזימים:E1, E2, E3 ו-5 קואנזימים :תיאמין פירופוספט (TPP), ליפואמיד ,FAD -CoA ו-NAD +.  קיימים 4שלבים בהמרת פירובט לאצטיל CoA: 1) פירובט ו-TPP מגיבים לקבלת hydroxyethyl-TPP ן-CO₂. תג' זו מזורזת ע"י E1. טבעת טיאזול של TPP (ב-E1) הינה טבעת חומצית ולכן יוצרת קרבאניון אשר מצרף ברצון קב, קרבוניל של פירובט. הוספה זו מלווה בדקרבוקסילציה של פירובט ומתקבל הידרוקסיאתיל-TPP. 2) קב' ההידרוקסיל המחוברת ל-TPP מחומצנת ליצירת קב' אצטיל ומועברת לליפואמיד. המחמצן הוא קב' הסולפיד של ליפואמיד אשר מומרת לצורת סולפהידריל. מזורזת ע"י E1 ונוצר אצטיל ליפואמיד. 3) קב' האצטיל מועברת ל-CoA ליצירת אצטיל CoA.

דהידרוליפויל טרנסאצטילאז (E2) מזרז תג' זו. 4) הצורה המחומצנת של ליפואמיד נוצרת מחדש ע"י דהידרוליפויל דהידרוגנאז (E3). 2 אלקטרונים מועברים ל- FAD (קב' פרוסטטית של האנזים) ואז ל-NAD⁺. הקומפלכס פירובט דהידרוגנאז גדול מריבוזום, מסתו ~5000kDa. מורכב מ-3 אנזימים שהאינטגרציה שלהם מאפשרת קטליזת ריאקציה מורכבת. קומפלכס זה הומולוגי ל- ?-קטוגלוטראט דהידרוגנאז. בקרה קוולנטית פוספורילציה של E1 בקומפלכס ע"י קינאז ספציפי מפסיקה את פעילות הקומפלכס, הפעלה מחודשת מושגת ע"י פוספטאז ספציפי. הגברת היחסים: NADH/NAD⁺, CoA/acetylCoA, ATP/ADP מקדמת פוספורילציה וכך גם את הפסקת פעילות הקומפלכס. פירובט ןADP משפעלים את ההידרוגנאז ע"י עיכוב הקינאז, בעוד ש-Ca²⁺ עושה זאת ע"י שפעול הפוספטאז. פירובאט דהידרוגנאז "מכובה" כאשר יש הרבה תוצרי ביניים והאנרגיה גבוהה. אינסולין- מאיץ את המרת פירובט לאצטיל CoA ע"י המרצת דפוספורילציה של הקומפלכס.

בקרה אלוסטרית של האנזים: הקומפלכס- ATPמעכב ןAMP משפעל. E2- אצטיל CoA מעכב וCoA משפעל. E3- NADH מעכב ו-NAD⁺ משפעל.

בקרה של המעגל: שלב בקרה חשוב בבקטריה- סינתזת ציטרט מאוקסלואצטט ואצטיל CoA. ATP מעכב אלוסטרי של ציטרט סינתאז. שלב בקרה נוסף- איזוציטרט דהידרוגנאז הוא אנזים המשופעל אלוסטרית ע"י ADP (מגדיל זיקה לסובסטרט). קשירת איזוציטרט, NAD⁺, Mg²⁺ ו-ADP קואופרטיביות באופן הדדי. בניגוד NADH מעכב איזוציטרט דהידרוגנאז ע"י החלפת NAD⁺ באופן ישיר. ATP מעכב. NAD⁺ ו-FAD זמינים רק כאשר האנרגיה נמוכה. שלב בקרה שלישי- ?-קטוגלוטראט דהידרוגנאז, סוקציניל CoA ו-NADH מעכבים- תוצרי התג' המזורזת ע"י האנזים. כמו כן מעוכב ע"י רמת אנרגיה גבוהה. כאשר רמת האנרגיה בתא גבוהה, קצב המעגל פוחת וכמו כן מעבר דוגמאות של 2 פחמנים למעגל (הבאים מאצטיל CoA). *תג' נוספת שיכולה ליצור אוקסלואצטט מפירובט- גלוקונאוגנזה!

מחלת ברי ברי: נגרמת מחוסר בתיאמין- ויטמין B1. הגוף לא יכול לסנתז ויטמינים. מחלה זו גורמת לחוסר תפקוד של הקומפלכס, חוסר יכולת ליצור אנרגיה. העצבים נפגעים ממחלה זו.

ציטרט סינתאז: דימר 2 תת יחידות זהות כל אחת 49KD. במהלך הקטליזה האנזים עובר שינויים קונפורמציוניים מהותיים. תחילה נקשר אוקסלואצטט ואח"כ אצטיל CoA. הסיבה לסדר ההיקשרות- אוקסלואצטט מגדיל התארגנות מבנית גדולה אשר מובילה להיווצרות אתר קשירה לאצטיל CoA ומונע הידרוליזה של אצטיל  CoA. *אנזים אסימטרי אשר תוקף תרכובת סימטרית יכול להבחין בין 2 קב' זהות של אותה התרכובת.

ארסנט: בעל התאמה סטרית לח' ליפוית במצב מחוזר, מחזר וגורם לאנאקטיבציה של הקומפלכס. דומה למחלה ברי ברי.

פוספורילציה אוקסידטיבית:

תהליך שבמהלכו מסונתזת רוב האנרגיה בתאים אאירובים (יש שיתוף O₂), זהו מנגנון ליצירת רוב ATP במע' חיות. בתאים אאוקריוטים- מתרחשת במיטוכונדריה. הממברנה החיצונית של המיטו' מכילה חלבונים המכילים פורינים. הם בונים תעלות אניוניות, גדולות ולא סלקטיביות שמעניקות חדירות לממברנה החיצונית. ממברנה זו אינה חדירה לחלבונים. אחד התפקידים החשובים של המיטו' זה אפופטוזיס- מוות מבוקר של תאים אאוקריוטים. אחד מהחלבונים הקטנים (ציטוכרום C) יוצא מהמיטו', גורם מרכזי להמשך מנגנון מוות מבוקר של התא. מתרחש בגלל פתיחה של חור גדול שחדיר לחלבונים. הממברנה הפנימית מקופלת מאוד על מנת להגדיל את שטח הפנים (הגברה כמותית של מע' פוספורילציה אוקסידטיבית). מכילה גם את החלבונים ששיכים לשרשרת מעבר e^-. המטריקס מכיל את מעגל קרבס, כל האנזימים ששיכים למעגל נמצאים במטריקס. המטריקס מכיל גם DNA מיטוכונדריאלי שמקודד חלק מהחלבונים. הממברנה הפנימית לא חדירה בקלות לחלבונים ואינה חדירה ליונים. לכל דבר הצריך להיכנס למטריקס יש נשאים ספציפיים. בממברנה מיטוכונדריאלית הקטיון המספק אנרגיה למעבר חומרים הוא H⁺, יש ניצול של גרדיאנט פרוטונים. תפקיד המיטו' הוא לספק את השלב האחרון בהתמרת אנרגיה. יש שרשרת העברת e^- מהנשאים NADH, FADH₂ אל החמצן. במעגל קרבס מקבלים 8NADH, 2FADH₂. כמו כן מקבלים 6CO₂ ורק 2ATP (בנוסף ל- 2ATP שנוצרו בגליקוליזה). בשלב הבא נכנסים ה e^- לשרשרת, האנרגיה שלהם מנוצלת והיא הולכת לסינתזה של 32ATP, מתוך 36 מולקולות שניתן לקבל ממולקולת גלוקוז אחת. רוב האנרגיה מתקבלת בשלב האחרון. למולקולות שמוסרות e^- יש פוטנציאל חיזור גבוה ולמולקולות המקבלות e^- יש פוטנציאל חיזור נמוך. שרשרת מעבר e^- זוהי שרשרת ריאקציות חמצון חיזור בהשתתפות נשאים שונים. מעבר 2e^- מ- NADH לחמצן נותן אנרגיה של 52 Kcal/mol. ע"י שבירת השרשרת למס' ריאקציות יש איבוד אנרגיה. הדבר טוב לתא כי אם נשחרר כמות רבה של אנרגיה התא יישרף. המטרה היא לשחרר אנרגיה במנות אותן ניתן לעבד ולנצל היטב. בשרשרת יש כמה קומפלכסים שכל אחד בנוי מכמה תתי יחידות ומכמה קב' פרוסטטיות: קומפלכס I: NADH דהידרוגנאז- מקבל e^- מ-NADH. קומפלכס II: סוקצינאט-Q רדוקטאז- דרכו נכנס סוקצינאט לשרשרת. קומפלכסים I ו-II מעבירים אלקטרונים ליוביקווינון (Q-נשא). ניתן להתחיל את השרשרת מ-2 כיוונים NADH וסוקצינאט. Q מעביר לקומפלכס III: Q-Cyt C אוקסידורדוקטאז. קומפלכס III מעביר ל-Cyt C, נשא קטן, חלבון מסיס. הוא הקישור בין קומפלכס III ל-IV. קומפלכס IV: ציטוכרום C אוקסידאז והוא מעביר לחמצן. קומפלכסים 1,3,4 מעבירים פרוטונים אל מחוץ למטריקס ויוצרים גרדיאנט פרוטונים על הממברנה הפנימית (קומפלכס 2 לא מעביר פרוטונים). לנשאים חלק כרומופורי- בעלי בליעה. בליעתם משתנה בהתאם למצב חמצון-חיזור שלהם. ככל שחומר מחוזר יותר בליעתו עולה. נשא שקרוב יותר לסובסטרט יהיה מחוזר יותר. כתוצאה ממעבר ה e^- ויצירת גרדיאנט פרוטונים יש שפעול של קומפלכס V: ATP סינתאז המייצר ATP. נוצר מפל אלקטרוכימי של פרוטונים על הממברנה.

קומפלכס I: בצורת L, זרוע אנכית שנמצאת במטריקס וזרוע הידרופובית הנמצאת בתוך הממברנה. הריאקציה המזורזת: . בתחילה NADH נקשר לאתר קשירה שנמצא על הזרוע במטריקס ומעביר e^- לFMN (קב' פרוסטטית של הקומפלכס) והופך לצורתו המחוזרת FMNH₂. e^- אלו מועברים ל-3 מרכזים של 4Fe-4S (חלבוני גפרית ברזל שהם הקב' הפרוסטטית השנייה של הקומפלכס). יוני הברזל בחלבונים יכולים להיות במצב מחוזר Fe⁺² או במצב מחומצן Fe⁺³. קב' ברזל-גפרית עוברות ריאקצית חמצון חיזור ללא שחרור פרוטונים. e^- מקב' ברזל גפרית מועברים ל- CoA-Q. מעבר הe^- מ-NADH ל-Q בקומפלכס I גורם לשאיבה של 4H⁺ אל מחוץ למטריקס. חיזור Q ל-QH₂ נוצר כתוצאה של יציאת 2 פרוטונים מהמטריקס. זוג הe^- שקשור ל-QH₂ מועבר ל-4Fe-4S והפרוטונים משוחררים לצד הציטוזולי. משם עוברים הe^- ל-Q נייד בתוך הממברנה ההידרופובית, שנוצר עקב יציאה של 2e^- מהמטריקס לציטוזול.

קומפלכס II: חלבון ממברנלי אינטגרלי שנמצא בממברנה הפנימית של המיטו'. FADH₂ לא עוזב את הקומפלכס אלא הe^- מועברים למרכז Fe-S ואז ל-Q ומשם נכנסים לשרשרת. בניגוד לקומפלכס I לא גורמים להעברת פרוטונים. משאבת הפרוטונים השנייה בשרשרת היא

קומפלכס III: ציטוכרום הוא חלבון שמעביר e^- ומכיל קב' פרוסטטית Heme. . הקומפלכס הוא דימר המכיל 11 תת יחידות. מכיל בסה"כ 3 קב' Heme שנמצאות בשתי תת יחידות: Cytb_H, Cytb_L, Cytc₁. b_L עבור אפיניות נמוכה ו-b_H עבור אפיניות גבוהה והם נמצאים ב-Cytb. הסוג ה-3 c נמצא ב-Cytc₁. בנוסף לקב' ה-Heme האנזים מכיל קב' ברזל-גפרית עם מרכזי 2Fe-2S. מרכז זה נקרא Rieske center. הקומפלכס מכיל 2 אתרי קישור ייחודים עבור Q שנקראים Q_o, Q_i. Q_i נמצא קרוב יותר לצד הפנימי של המטריקס.

מעגל ה-Q: המכניזם של מעבר הe^- מ-Q ל-CytC. המעגל מתחיל כאשר QH₂ נקשר לאתר Q_o. QH₂ מעביר בכל פעם 1e^-. הוא עובר תחילה למרכז rieske ואז ל-Cytc₁ ובסופו של דבר למול' Cytc מחומצנת והופך אותו לצורתו המחוזרת. Cytc המחוזר חופשי לעזוב את האנזים בצורה זו. האלקטרון השני מועבר תחילה ל-Cytb_L ואז ל-Cytb_H ובסופו של דבר ל-Q הקשור באתר Q_i. עקב קבלת הe^- ה-Q מחוזר ל Q?^-. כאשר QH₂ באתר Q_o מחומצן ל-Q הפרוטונים שלו משתחררים לצד הציטוזולי של הממברנה. מול' הQ שבאתר Q_o חופשיה לעזוב את האתר. בשלב זה Q?^- נמצא באתר Q_i. מול' שניה של QH₂ נקשרת לאתר Q_o ומגיבה באותה הדרך כמו הראשונה. אחד מהe^- מועבר למרכז rieske ואז ל-Cytc₁ ומועבר משם לחיזור מול' שניה של Cytc. האלקטרון השני עובר ל-Cytb_L ואז ל-Cytb_H, ל Q?^- שקשור באתר Q_i. בעת הוספת האלקטרון השני רדיקל הקווינון לוקח 2H⁺ מהצד של המטריקס ויוצר QH₂. הורדה של 2H⁺ אלו תורמת ליצירת גרדיאנט הפרוטונים. בסוף מעגל ה-Q 2 מול' QH₂ מחומצנות ליצירת 2Q ומול' אחת של Q מחוזרת ל-QH₂, 2 מול' Cytc מחוזרות, 4H⁺ משוחררים לצד הציטופלסמטי ו2H⁺ מועברים מהמטריקס ל Q?^-.  השלב הסופי של השרשרת הוא חמצון של Cytc מחוזר שנוצר בקומפלכס III, שלב זה מצומד לחיזור של O₂ ל-2H₂O. ריאקציה זו מזורזת ע"י

קומפלכס IV: מכיל 2 קב' Heme (a ו-a₃) ו-3 יוני נחושת. המרכז בעל 2 יוני נחושת נקרא Cu_A/Cu_A והוא מקבל הe^- מ-Cytc המחוזר. 2 מול' Heme A נקראות Heme a ו-Heme a₃ והן בעלות תכונות שונות כיוון שהן ממוקמות באופן שונה בקומפלכס. התפקיד של Heme a הוא להעביר e^- מ-CuA/CuA בעוד שהתפקיד של Hemea₃ זה להעביר e^- ל-CuB (המרכז בעל יון הנחושת הנוסף). Hemea₃ ו-CuB יוצרים ביחד את המרכז הפעיל שבו O₂ מחוזר לH₂O. הריאקציה הכללית שמקוטלזת ע"י קומפלכס IV היא: . חמצן מולקולרי הוא מקבל e^- טרמינלי אידיאלי כיוון שהוא בעל אפיניות גבוהה לe^- ולכן יוצר כוח מניע תרמודינמי גדול. אם מתחילים מסוקצינאט אז מדלגים על פעילות קומפלכס 1 ויש יציאה של פחות מימנים, כלומר פחות ייצור ATP. אנרגיית e^- מנוצלת לטרנספורט אקטיבי דרך הממברנה, פרוטונים עוברים מצדו הפנימי של המטריקס החוצה ונוצר פוטנציאל מעבר פרוטונים. המפל מורכב מ-2 חלקים: ריכוזי וחשמלי, 2 החלקים שונים מבחינה אנרגטית והם "לוחצים" על הפרוטון לחזור אל תוך המטריקס. הקומפלכס ATP סינתאז מנצל את מפל הפרוטונים ליצירת ATP. ATP סינתאז מורכב מ-2 תת יחידות- F_o, F₁. כאשר מפרידים ביניהן ניתן לראות שאין סינתזת ATP ושרשרת הנשימה פועלת יותר מהר. כלומר, אין צימוד בין מעבר e^- לסינתזת ATP. פקטור F₁ אחראי על סינתזת ATP. בנוסף קיימים מעכבים כגון אוליגומיצין שמעכב את שלב הפוספורילציה. קצב מעבר e^- רגיש לאוליגומיצין (הוא משפיע על F_o ולא על F₁. המנגנון יכול לעבוד רק במקרים בהם חדירת פרוטונים איננה פסיבית-ספונטנית, במקרה זה גרדיאנט הפרוטונים לא יחזיק מעמד. אם הממברנה חדירה ליונים אחרים, הם יכולים לפזר את הפוטנציאל החשמלי על הממברנה ולכן שלמותה הכרחית לפעילות העברת ה  e^-וצימודם ליצירת ATP. מפר צימוד: כל חומר שיכול להשפיע על חדירות הממברנה ליונים. 2,4-DNP בנוכחות נשאי e^-: מפר צימוד בין מעבר e^- לסינתזת ATP. יש מעבר e^- מזורז אך אין סינתזת ATP אלא הידרוליזת ATP. הוא אינו מעכב את האנזים ATP סינתאז כיוון שהוא מפרק ATP. החומר מספיק הידרופובי לחדור את הממברנה ומצד שני הוא חומצה חלשה בעלת pKa קרוב לנייטרלי ויכול להיות טעון. הוא לוקח פרוטון בצד אחד של הממברנה עובר אותה ובפנים משחרר את הפרוטון- כך הוא מפזר מפל אלקטרוכימי על הממברנה. FCCP: גם חומצה חלשה הידרופובית עם מסיסות גבוהה בתוך הממברנה. מבחינה תרמודינמית נוצר מפל פרוטונים על הממברנה. את האנרגיה החופשית שנוצרת מהמפל נוכל לחשב לפי: ;  . מבנה ותפקוד קומפלכס V- ATP סינתאז: קומפלכס גדול שנמצא בממברנה הפנימית. ניתן לזהות 2 חלקים עיקריים- חלק בולט F₁ ולחלק ממברנלי F_o (o מגיע מאוליגומיצין,  זהו מקום פעילות של המעכב הספציפי של המשאבה אוליגומיצין. הוא פועל על F_o אבל מעכב פעילות הקומפלכס השלם). ראש הקומפלכס F₁ פונה למטריקס. ניתן להפריד בין 2 החלקים ע"י ריכוז מלח גבוה. משאבת הפרוטונים המעבירה דרך הממברנה פרוטונים בלבד היא מסוג F ובעלת פעילות ATPase. F₁: הקומפלכס מורכב מ-9 תת יחידות 3?3????. המשקל המולקולרי של ? ו-? הוא 50-53 Kd, ? עד כ-30 Kd ושל ? ו-? 15-20 Kd. F₀: חלק ממברנלי, מורכב מ-3 סוגי תת יחידות a2b(10-14)c. משקל a הוא 30 Kd, b הוא 17 Kd ו-c הוא 8 Kd. יש תת יחידה אחת a, 2 תת יחידות b ו בין 10-14 תת יחידות c- כל אחת היא 2 סלילי ? החוצים את הממברנה. מניסויי פירוק והרכבה שלתת היחידות וקריסטלוגרפיה גילו כי המבנה מאוד סימטרי והוא בעל פעילות פונקציונלית. קוטר הראש 12nm- מבנה מרחבי גדול. הראש מורכב מ- 3?+3? ומעוגן לממברנה ע"י 2 תתי היחידות b, קיים חיבור מכני ליחידה ? בין היחידות וישנו חיבור פונקציונלי של תת יחידה ? לתת יחידה c. אתר פעיל: אתר הקישור מורכב מ-2 תתי יחידות ??. פעילות הקומפלכס מבוססת על רוטציה- תנועה סיבובית של חלק ממברנלי בעל צורת רוטור. החיבור בין הרוטור-תת יחידה c ל-? ודרכו ל ?? גורם לסיבוב של הקומפלכס. סינתזת ATP באתר הפעיל של F₁ מתרחשת באופן ספונטני.  לריאקציה זו ?G חיובי אך אם נסלק את המים במהלך הריאקציה התגובה תלך לכיוון סינתזת ATP ונקבל ?G שלילי, יהיה קרוב ל-0 כלומר ריאקציה בשו"מ. אם באתר הפעיל ADP ו-Pi קשורים ואין נוכחות של מים אז יווצר ATP. כאשר נבדקה הזיקה של נוקליאוטידים לקומפלכס F₁ שמכיל 3 אתרי קישור ?? נתגלה כי לכל אתר היכולת להימצא באחת מ-3 הזיקות הבאות: אתר 1 (T) בעל אפיניות מאוד גבוהה ל-ATP ובמהלך ניקוי של קומפלכס F₁ מאוד קשה להיפטר מ-ATP באתר זה ולקבל חלבון נקי. אתר 2 (L) בעל זיקה בינונית ואתר 3 (O) בעל זיקה חלשה, על בסיס עובדות אלה הוצע Binding Change Mechanism: באתר T מתרחשת ריאקציה ספונטנית של יצירת ATP, אך הוא קשור חזק ולא יכול לצאת. שחרור ATP מ-T זה שלב הדורש אנרגיה. סיבוב תת יחידה ? גורם לפתיחת האתר הפעיל ושחרור של ATP מ-T והפיכתו ל-O. סיבוב זה גורם לשינוי קונפורמציה המתרחש בכל תת היחידות, ותת יחידה L שהחזיקה ADP ו-Pi בצורה חלשה נסגרת והופכת ל-T. תת יחידה O הופכת ל-L ויכולה לקשור ADP ו-Pi ו-T הקושרת ATP הופכת ל-O ומשחררת אותו. כלומר תת יחידה L קושרת ADP ו-Pi,  ב-T מתרחשת סינתזת ATP באופן ספונטני וב-O משתחרר ATP. השינוי בקונפורמציות הוא נגד כיוון השעון. כל זה כרוך בסיבוב של 120⁰ של תת יחידה ? עם כיוון השעון, כיוון שהקומפלכס הוא הקסמר טריגונלי. *אם השינוי בקונפורמציות T,L,O מתרחש עם כיוון השעון מדובר בהידרוליזת ATP. המנוע עובד בעזרת האנרגיה המשתחררת מפירוק ATP. כיצד פרוטונים העוברים דרך F_o גורמים לסיבוב של תתי יחידה ?? בתת יחידה c כל שרשרת פוליפפטידית יוצרת זוג של סליל ? שחוצה את הממברנה. שייר של Asp נמצא במרכז הסליל השני. כאשר Asp קשורה לחלק ההידרופובי של הממברנה השייר חייב להיות לא טעון. תת יחידה a בנויה מ-2 חצאי תעלות פרוטונים שלא חוצות את הממברנה. פרוטונים יכולים לעבור דרך תעלות אלו אך לא לחלוטין דרך הממברנה. תת יחידה a נמצאת סמוך לטבעת c כאשר כל חצי תעלה מגיבה עם תת יחידה c אחת. בתעלה הסביבה הידרופילית ולכן שני שיירי ה Asp ב-2 תת יחידות c הקשורות לתעלה, ויתרו על הפרוטונים שלהם והAsp  נמצאות במצבן הטעון. טבעת ה-c לא יכולה להסתובב לשום כיוון משום שזה יגרום לשייר טעון של Asp להיכנס לסביבה הידרופובית. פרוטון יכול לנוע דרך חצי תעלה ולגרום לכך שה-Asp  הטעונה תהפוך ללא טעונה. סביר להניח שהפרוטון ינוע בתעלה הקשורה לצד הציטוזולי של הממברנה בגלל שריכוז הפרוטונים שם גבוה פי 25 מאשר בצד של המטריקס. דבר זה קורה בשל השרשרת שיוצרת את הגרדיאנט. כניסה של פרוטונים לתוך חצי התעלה בצד הציטוזולי נגרמת גם עקב הפוטנציאל על הממברנה שהוא +0.14v ומגדיל את ריכוז הפרוטונים קרוב לפתח של חצי התעלה הציטוזולית. אם שייר הAsp עבר פרוטונציה לצורתו הלא טעונה, טבעת ה-c יכולה להסתובב אך ורק בכיוון השעון. סיבוב כזה מעביר את השייר של החומצה ליצירת מגע עם הממברנה ומזיז את השייר הטעון שנמצא בחצי התעלה של המטריקס. הפרוטון יכול לעבור דיסוציאציה מה Asp ולנוע דרך חצי התעלה אל המטריקס שעני בפרוטונים ולשחזר את המצב ההתחלתי. טבעת ה-c קשורה חזק לתת היחידות ?, ? ולכן כאשר היא נעה גם תת היחידות הללו נעות בסיבוב בתוך ההקסמר (?₃?₃) ביחידה F₁. סיבוב תת יחידה ? גורם לסינתזת ATP דרך המכניזם שעליו דובר. מס' תת יחידות c מאוד משמעותי משום שהוא קובע את מס' הפרוטונים שחייבים לעבור בכדי לגרום ליצירת מול' ATP. כל סיבוב של 360^o של תת יחידה ? גורם לסינתזה ושחרור של 3ATP. לכן אם יש 10 תת יחידות c, כל ATP נוצר ע"י העברה של 3.33 פרוטונים (עבור כל ATP עוברים 3 פרוטונים). כמה ATP מקבלים ממעבר זוג e^- דרך השרשרת? כמות האנרגיה של פעילות כל קומפלכס המעביר פרוטונים מספיקה לסינתזת ATP אחד. המדד לפעילות הוא יחס של Pi אחד לחמצן אחד. סה"כ אם מתחילים מקומפלכס I יחס P/O הוא 3 ונוצרות 3 מולקולות ATP. בקומפלכס II P/O=2. ניתן להוסיף חומר התורם e^- וכך לגרום לסינתזת ATP- עלייה ב-pH, עקב פירוק ATP- ירידה ב-pH. ADP-ATP טרנסלוקאז: כ-14% מכלל החלבונים בממברנה הפנימית. טרנספורטר של ATP מהמטריקס אל הציטוזול ושל ADP מהציטוזול למטריקס. המעבר מצומד, לא יתבצע טרנספורט של ATP אם ADP לא ייקשר ולהיפך. ADP נקשר בצד הציטוזולי עקב מפלי הריכוזים שלו. הנשא משנה קונפורמציה ומשחרר ADP בתוך המטריקס. ATP נקשר ושוב יש שינוי קונפורמציה ו-ATP משוחרר לציטוזול. חילוף זה יקר מבחינה אנרגטית, בערך רבע מהאנרגיה שנוצרת ממעבר e^- ע"י השרשרת נצרכת בכדי ליצור מחדש את פוטנציאל הממברנה שנפגע עקב תהליך החילוף. קצב הפוספורילציה האוקסידטיבית: מעבר e^- מצומד לפוספורילציה. e^- בדר"כ  לא עוברים דרך השרשרת ל-O₂ אלא אם כן ADP עובר סימולטנית פוספורילציה ל-ATP. פוספורילציה אוקסידטיבית דורשת מלאי של NADH (או מקור אחר של e^- בעל פוטנציאל גבוה), O₂, ADP ו-Pi. הפקטור החשוב ביותר בקביעת הקצב הוא רמת ה-ADP. הבקרה הנעשית ע"י רמת הADP נקראת בקרה נשימתית. רמת ה-ADP משפיעה גם על קצב מעגל קרבס בגלל הצורך ב-NAD⁺ וב-FAD. רמת ADP גדלה כאשר ATP נצרך ולכן פוספורילציה אוקסידטיבית מצומדת לניצול ATP. מעכבים: ניתן לעכב את התהליך בכל השלבים. רוטנון ואמיצל חוסמים מעבר e^- בקומפלכס I ולכן מונעים את ניצול NADH כסובסטרט. מעבר e^- שנוצר מחמצון סוקצינאט לא נפגע. אנטימיצין A מפריע למעבר הe^- מ-Cytb_H בקומפלכס III. מעבר הe^- בקומפלכס IV ניתן לעיכוב ע"י  ציאניד (CN^-), אזיד (N^-3) ופחמן חד חמצני (CO). ציאניד ואזיד מגיבים עם צורת Fe⁺³ של Hemea₃ בעוד ש-CO מעכב את צורת Fe⁺². עיכוב השרשרת מעכב את סינתזת ATP כיוון שלא נוצר כוח מניע של פרוטונים. ATP סינתאז גם כן ניתן לעיכוב. אוליגומיצין ו-DCCD מונעים זרימת פרוטונים דרך ATP סינתאז. כתוצאה מהעיכוב של ATP סינתאז השרשרת מפסיקה לפעול (התהליכים מצומדים). בנוכחות מפר צימוד (כגון DNP), מעבר e^- מ-NADH ל-O₂ ממשיך כרגיל ללא הפרעה, אך לא נוצר ATP ע"י ATP סינתאז מיטוכונדריאלי כיוון שהכוח המניע של הפרוטונים בממברנה הפנימית של המיטו' התפזר. מפר צימוד גורם לעלייה בצריכת החמצן וחמצון NADH ולכן כמות גדולה של דלק מטאבולי נצרכת, לא נשמרת אנרגיה בצורת ATP אלא היא משתחררת כחום. בקרת מפר צימוד היא דרך ביולוגית יעילה ליצירת חום. ADP-ATP טרנסלוקאז מעוכב ע"י ריכוז נמוך מאוד של אטראקטילוזיד ו-bongkrekic acid. פוספורילציה אוקסידטיבית נעצרת זמן קצר לאחר הוספה של אחד משני המעכבים, מה שמראה כי ADP-ATP טרנסלוקאז חיוני לתהליך. ואלינומיצין מתנהג כמפר צימוד. מדובר בטרנספורטר של K⁺, גורם לפיזור מפל הריכוזים של H⁺.  *אם יש גלוקוז, הקסוקינאז וMg⁺² מתרחשת התג': , יש עודף של ADP  שמגיע לקומפלכס 5 שם יהפוך ל-ATP. כל ה-ATP שיווצר יפורק שוב וכך נבטיח המשכיות של השרשרת ע"י המשכיות הצימוד.

פירוק וסינתזה של חומצות שומן:

שומנים נכנסים למטאבוליזם בצורת פוספוליפידים או שומנים אחרים. שומנים זהו מקור מאוד עשיר ויעיל של אנרגיה והם המרכיב המשמעותי ביותר במזון. בגוף האדם, שומנים נשמרים בעיקר כטרי אציל גליצרול-טריגליצרידים: גליצרול מחובר ל-3 ח' שומן. תפקידי ח' שומן: *אבני בניין של ליפידים ופוספוליפידים. *מודיפיקציה של חלבונים- ח' שומן מחוברת קוולנטית לחלבון ומעניקה לו תכונה של עיגון בממברנה. *מקור אנרגיה מאוד משמעותי. בח' שומן הפחמן נמצא ברמת חיזור מאוד גבוהה. אלו הם שומנים- דוחים מים והדבר מעניק להם יתרון מבחינת לחץ אוסמוטי. הם אינם קושרים מים ואין צורך בהידרטציה. טריגליצרידים שוקלים פחות מגליקוגן עם אותה כמות אנרגיה. כמות האנרגיה הנאגרת בשומנים היא הגבוהה ביותר בגוף האדם. *אבני בניין לסינתזת הורמונים ולמסנג'רים שניוניים בתא.   המוח יכול לנצל רק גלוקוז (ובמקרים מיוחדים בגופי קטון) אך לא בח' שומן כמקור אנרגיה.בניצול של חומצות שומן כמולקולות דלק ישנם שלושה שלבים: טריגליצרידים  מפורקים בשלב ראשון ע"י ליפאזות, בתהליך הנקרא ליפוליזה. הליפאזות משופעלות ע"י הורמונים כאפינפרין, נורפינפרין, גלוקגון ואדרנוקורטיקוטרופיק. בתאי שומן, הורמונים אלו משפעלים רצפטורים 7 ממברנליים אשר משפעלים אדנילט ציקלאז. רמה מוגברת של ציקליק  AMP (cAMP) ממריצה את פרוטאין קינאז A, אשר משפעל את הליפאזות ע"י זרחונן. הורמונים אלו מגבירים ליפוליזה. בניגוד לכך, אינסולין מעכב ליפוליזה.  

ליפאז- חותך ח' שומן מהגליצרול. בסופו של דבר מקבלים ח' שומן נפרדות וגליצרול. מופעלים ע"י זרחון מזורז. ח' שומן חופשיות חודרות ממברנה ויכולות לצאת למחזור הדם. שומנים מועברים מרקמה לרקמה בצורת קומפלכס עם חלבונים- ליפופרוטאין. ח' שומן מועברות בדם באמצעות חלבון מיוחד- אלבומין. הוא בעל כיסים הידרופוביים (ח' השומן נכנסות וכך נמנעות אינטראקציות לא רצויות עם מים)?גליצרול עובר זרחון ע"י גליצרול קינאז על חשבון ATP. גליצרול קינאז דהידרוגנאז מעביר לקטון ואז נמצא בשוו"מ עם מולקולה נוספת שיכולה להיכנס לגליקוליזה או גלוקונאוגנזה. ככל שח' שומן רוויה יותר ארוכה טמ"פ ההתכה שלה גבוהה יותר. כשנכנס קשר כפול הוא מוריד את טמ"פ ההתכה באופן משמעותי. ח' פלמיטית- זוהי ח' שומן רוויה בעלת 16 פחמנים.

שלב I: אקטיבציה וטרנספורט- האקטיבציה מתרחשת ע"י אדנילציה או חיבור ל CoA, ריאקציה זו דורשת אנרגיה. 1) אדנילציה בעזרת ATP- ח' שומן מחוברת ל- AMP. 2) העברת ח' שומן מ-AMP ל-CoA. לא דורש השקעת אנרגיה. 3) העברת אציל CoA שנוצר לתוך המיטוכונדריה. במיטו' מתרחש מעגל קרבס ולכן עדיף שחמצון ח' שומן יתרחש גם הוא שם.  חמצון ח' שומן, להבדיל מגליקוליזה, מתרחש במיטו'. לא כדאי להכניס אציל CoA כמו שהוא ישר לתוך המיטו'. CoA ונגזרותיו לא חודרים את הממברנה המיטוכונדריאלית. קב' האציל מועברת מ-CoA לקארניטין ע"י קארניטין אצילטרנספראז I, אציל קארניטין מועבר דרך הממברנה ע"י טרנסלוקאז, ואז הוא עובר שוב ל- CoA. בהעדר של קארניטין או טרנסלוקאז יכולים להיגרם התכווצות שרירים, חולשה חזקה או אפילו מוות. במהלך התעמלות ממושכת, חולשה של השרירים מראה על חוסר בקארניטין אציל טרנספראזות, כיוון ששרירים מסתמכים על ח' השומן כמקור אנרגיה לטווח ארוך.

 שלב II: חמצון ח' שומן- גם הוא מתרחש בכמה שלבים. כל פעם כתוצאה של 4 ריאקציות נחתך משרשרת האציל קטע של 2 פחמנים ומועבר ל-CoA אחר ונוצר אצטיל CoA. ? אוקסידציה של ח' שומן- זהו המעגל! (הקשר שנחתך הוא אחרי פחמן ? ומכאן השם). פירופוספט מתפרק ע"י פירופוספטאז מה שמניע את הריאקציה לכיוון יצירת אציל CoA.

קארינטין אציל טרנספראז I  מזרז ריאקציית העברת ח' שומן מ-CoA לקארניטין, מתרחש בממברנה החיצונית. בממברנה הפנימית יש עוד טרנספר של ח' שומן מקארניטין ל-CoA מיטוכונדריאלי, מזורז ע"י קארניטין אצילטרנספראז II . קארניטין: זהו מתווך, קטליזטור של הכנסת ח' שומן מהציטוזול אל המטריקס. פירוק ח' שומן המחוברת ל-CoA מתרחשת בעזרת שרשרת של 4 ריאקציות: 1) חמצון, הורדת מימן יחד עם e^- מפחמן ?. חמצון של פחמן ? עם חיזור של FAD. 2) הכנסת, תוך פירוק קשר כפול בין פחמן ? ל-?, חמצן לפחמן ?. מתרחש בעזרת מים. 3) חמצון פחמן ? תוך חיזור של NAD⁺. הקשר בין פחמן ? ל-? נחלש וניתן לחתוך אותו ולקשור אותו ל-CoA נוסף. 4) חיבור 2 פחמנים ל-CoA- תיוליזה. כתוצאה מ4 שלבים אלו מקבלים CoA מחובר לשרשרת ואצטיל CoA. בשלב זה קיבלנו 2 מולקולות מחוזרות: NADH (שרשרת הנשימה) ו- FADH₂ (קב' פרוסטטית ששייכת לאצטיל CoA דהידרוגנאז, הראשון בשרשרת, זוג ה e^- שמועברים ל FAD יכולים להיכנס ישירות לשרשרת כי הוא אנזים ממברנלי ושייך באותה מידה לשרשרת. מוסר e^- לCoQ). ממול' אחת של ח' פלמיטית קיבלנו 129 מול' ATP. כאשר מס' הפחמנים בח' שומן הוא אי זוגי נשאר שייר בעל 3 פחמנים שעובר קרבוקסילציה (דורשת השקעת אנרגיה, 1ATP). מקבלים שייר עם 2 פחמנים שעובר אפימריזציה ואיזומריזציה ומקבלים סוקציניל-CoA שנכנס ישירות למעגל קרבס. תנאי חשוב: ח' שומן ניתן לשרוף על "אש" של קרבוהידראט. יש צורך באוקסלואצטט על מנת להכניס את אצטיל CoA למעגל. אי אפשר לסנתז אוקסלואצטט מאצטיל CoA. ללא עודף של אוקסלואצטט אין שריפה של ח' שומן. אוקסלואצטט מתקבל מפירובט (גליקו'). מ-2 מול' אצטיל ניתן ליצור 2 מול' קטוניות שונות השייכות לגופי הקטון.  זהו מקור אנרגיה לא טוב. גלוקוז זהו הדלק העיקרי למוח ולתאי הדם האדומים. ברעב ממושך, 75% מן הדלק שהמוח צורך מגיעים מגופי קטון. בהעדר של גלוקוז, הלב משתמש באצטואצטט (גוף קטון). רמות גבוהות של אצטואצטט בדם זהו סימן למחסור ביחידות אצטיל וגורם לירידה בקצב ליפוליזה ברקמות שומן. סינתזת ח' שומן: מתרחשת בציטוזול. שרשרת הריאקציות הופכת ל- חיזור, דהידרטציה, וסינתזה. NADPH הוא אקוויולנט חיזור אצטיל- הפרדה בין מסלולים קטבולים ואנאבולים. 1) הפיכת אצטיל  CoA למאלוניל CoA בתהליך קרבוקסילציה. האנזים בתהליך זה הוא אצטיל CoA קרבוקסילאז, בעל קב' פרוסטטית הנקראת ביוטין שחיונית לפעילותו. שלב זה אינו הפיך ולכן מחייב ומבוקר. בקרה קוולנטית: כשאין צורך בסינתזת שומנים תתרחש פוספורילציה. ריכוז גבוה של AMP יוביל להפעלת האנזים שמזרחן את אצטיל CoA קרבוקסילאז. בקרה אלוסטרית: ציטראט נקשר לאנזים הלא פעיל וגורם להפעלה חלקית. אם הצטבר ציטראט המצב האנרגטי גבוה. הציטראט נוצר בתחילת ה-TCA, כלומר יש מספיק ATP מה שיגרום לשפעול חלקי. ציטראט נוצר במיטו' בתחילת ה-TCA ויכול לעבור בעזרת נשא אל הציטוזול שם יהפוך לאצטיל CoA ויוכל להמשיך בתהליך סינתזת ח' שומן. אם יש הרבה פלמיטויל CoA תעצר הסינתזה: מעכב טרנספורט של ציטרט לציטוזול ומעכב את האנזים. 2) קב' מאלוניל מועברת מ-CoA לחלבון ACP (נשא של האציל) שתפקידו להעביר מאלוניל או אצטיל לחלבונים בעלי פעילות חיזור, הידרטציה..- לחבר מאלוניל לאצטיל. פעילות זו מתרחשת עד ליצירת הח' המבוקשת ויש שחרור של ACP. בכל ריאקציה קונדנסציה (חיבור) בין מאלוניל לאצטיל יש שחרור של CO₂. הריאקציה מזורזת ע"י קומפלכס ענק. מאלוניל CoA  זוהי הצורה המאוקטבת של אצטיל CoA. בקרה: אינסולין ממריץ סינתזת ח' שומן ע"י שפעול הקרבוקסילאז בעוד שגלוקגון ואפינפרין מעכבים. ציטרט- סיגנל לכך שיש אבני בניין ואנרגיה בשפע, משפעל את הקרבוקסילאז. פלמיטויל  - CoAמעכב את הקרבוקסילאז, וכך גם AMP. בקרה כוללת: מבוצעת ע"י פוספורילציה הפוכה. אצטיל CoA קרבוקסילאז מכובה ע"י פוספורילציה ומשופעל ע"י דפוספורילציה. הקרבוקסילאז בלתי פעיל כאשר רמת האנרגיה נמוכה. תגובות לדיאטה: פירוק וסינתזת ח' שומן אינם פועלים במקביל. ברעב, רמת חומצות השומן החופשיות עולה כיוון שהורמונים כגון אפינפרין וגלוקגון ממריצים ליפאזות של תאי שומן. אינסולין בניגוד לכך מעכב ליפוליזה.

ביוכימיה של השריר:

תנועת מול' מתרחשת עקב שינויים קונפורמציונייים של החלבון. רוב החלבונים הם חברים במשפחת ה- NTPase p-loop. למיוזין תפקיד עיקרי בשריר, נע לאורך פילמנטים של חלבון האקטין. מורכב מ-2 חלקים: שרשרת כבדה 87Kd שרשרת קלה בעלת חשיבות גבוהה ושרשרת קלה רגולטורית. בגוף האדם יש 40 מיוזין, חלקם מתפקדים בשריר.

מבנה המיוזין: 2 ראשים המחוברים לגבעול. בעל 4 חלקים- 2 חלקים של S₁, אחד של S₂ (HMM)- heavy וחלק נוסף הנקרא LMM- light. כל S₁ מתאים לאחד מהראשים ומכיל 850 ח' אמינו. המבנה של S₁ הוא ? הליקס. ההליקס יוצר אתר עבור 2 השרשראות הקלות. השרשראות כרוכות מסביב ל-? הליקס. החלקים האחרים S₂ ו-LMM הם בעלי מבנה גדול של ? הליקס במצב coil-coil. המבנים האלה ביחד מגיעים לגודל של 1700 אנגסטרם. מיוזין נע בצורה מעגלית. התזוזה מופסקת עקב השינוי באפיניות החלבון. השריר בנוי מסיבים רבים. כל סיב מורכב ממיופיברילות, כשכל מיופיברילה מכילה כמה יחידות התכווצות- סרקומרים. סרקולמה= ממברנת השריר. סרקופלסמה=ציטוזול תא השריר. כל סיב שריר מכיל קב' מיופיברילות מקבילות המאורגנות לאורך הסיב. בין המיופיברילות יש SR (רשת ממברנה) שעוטפת אותן ותפקידה לאגור יוני סידן. בזמן התכווצות יש יציאת יוני סידן. T tubule- צינורות הממברנה. קיימים כדי להבטיח שאירוע ההתכווצות יהיה אחיד בכל המיופיברילות. סרקומר מוגדר מקו Z אחד לקו Z אחר, בנוי מסיבים עבים ודקים. העבים מסודרים במאוזן. H zone- מכיל רק סיבים עבים. A zone- מכיל סיבים עבים ודקים. I zone- מכיל רק סיבים דקים. בקצוות Z line- חלבונים אליהם קשורים סיבים עבים ודקים. הסדר: Z,I,A,H,A,I,Z. מה שקושר את הסיב העבה לקו Z זהו חלבון שנקרא Titin המקנה גמישות לסרקומר (פועל כמו קפיץ שיכול להימתח ולהתכווץ). Nebulin- מחבר את הפילמט הדק לקו Z, נקראים גם חלבוני סרגל כי קובעים את אורך הפילמנטים. סיב עבה מורכב בעיקר ממולקולה הנקראת מיוזין, מורכבת מ-2 ראשים וזנב. יש לו 2 שרשראות כבדות ו-4 קלות. מה קורה למיוזין אם נפעיל עליו פרוטאזות? טריפסין יפריד את מול' המיוזין ל-2: LMM, HMM (מכיל קצת מהזנב, S₂, ו-2 יח' של S₁- ראש המיוזין. השרשראות הקלות קשורות ל-S₁). פפאין יפריד בין S₁ ל-S₂.  הפילמנט הדק מורכב בעיקר מאקטין (G אקטין זהו המונומר ו-F אקטין זהו הפולימר), מכיל טרופומיוזין- גורם להפרעה סטרית של הקישור בין אקטין למיוזין וטרופונין- בעל 3 תתי יחידות: TnT קושרת טרופומיוזין, TnI מעכבת התכווצות שריר, TnC- קושרת יוני סידן. כשריכוז הסידן עולה טרופונין קושר סידן וגורם לטרופומיוזין לא להפריע לקישור בין אקטין למיוזין, בעל 4 אתרי קשירה לסידן. קישור יוני הסידן לטרופונין גורם לכך שהקומפלכס טרופונין-טרופומיוזין ינוע פנימה לתוך 2 גדילי האקטין.

מנגנון ההתכווצות: הפילמנטים לא משתנים באורך. מה שמשתנה זו החפיפה ביניהם- מנגנון ההחלקה. בעת ההתכווצות יש איזור חפיפה יותר גדול, המרחק בין Z ל-Z מתקצר. פירוק ATP, קישור אקטין והתכווצות השריר: מתחילים במצב שנקרא "ATP-Myosin". ה-ATP שקשור למיוזין עובר "הידרוליזה" (יש לשים לב כי זוהי לא בדיוק הידרוליזה. זוהי הוספת מים ללא פירוק הקשר). בשלב הבא מקבלים מצב הרפייה     "ADP-Pi-Myosin". בעת עלייה בריכוז יוני הסידן מתאפשרת חפיפה. אקטין נכנס ומקבלים "Actin-Myosin-Pi-ADP". לאחר מכן קישור אקטין גורם ליציאת ADP+Pi ומקבלים מצב התכווצות "Actin-Myosin". בשלב נוסף ATP נקשר למיוזין מה שגורם לאקטין לצאת ושוב חוזרים למצב "ATP-Myosin". זהו מעגל שחוזר על עצמו. ההרפייה נובעת מ: 1) קישור ה-ATP גורם לשחרור האינטראקציה בין האקטין למיוזין. 2) משאבות Ca⁺²ATPase מחזירות רמה נמוכה של סידן בתא, שוב יש הפרעה סטרית של טרופומיוזין. ריגור: קישיון, מתרחשת בעת מוות. הגוף נתקע בשלב "Actin-Myosin". הסבר מוצע תהליך ההתכווצות וההרפייה: במנוחה S₁ אינו יכול להקשר ליחידת האקטין, כתוצאה מנוכחות טרופומיוזין. מיוזין קשור ל- ADP+Pi. כתוצאה מגירוי עצבי יש עלייה בריכוז יוני הסידן בציטופלסמה. טרופומיוזין משנה את מיקומו כך שעכשיו ראש ה-S₁ נקשר ליח' האקטין בפילמנט הדק ו-Pi משתחרר. הקישור של מיוזין לאקטין גורם לשחרור ADP. השחרור הזה גורם לשינוי קונפורמציה של S₁ ב-45^o, ביחס ליח' האקטין. שינוי זה גורם לתזוזה של הפילמנט הדק, בתהליך הקרוי Power stroke. הקישור של ATP למיוזין גורם לשחרור הקשר אקטין-מיוזין. לאחר מכן יש "הידרוליזה" של ATP ע"י ראש המיוזין החופשי.  מה גורם לריכוז יוני הסידן לעלות? גירוי עצבי. העברת סיגנל עצבי ע"י אצטיל כולין. גורם לפתיחת תעלות האצטיל כולין. מתרחשת דפולריזציה. לאחר מכן יש התפשטות הexitation מממברנת תא השריר ל- T tubules. ואז העברת הexitation מה T tubules ל-SR, מה שגורם לשחרור יוני סידן מה-SR. העלייה בריכוז יוני הסידן גורמת להתכווצות השריר. Ca⁺²ATPase: על כל מול' ATP המשאבה מכניסה 2 יוני סידן. ל-E1 יש אפיניות גבוהה לקלציום ויש קישור של סידן וATP. לאחר מכן מתרחשת פוספורילציה תוך שחרור ADP ומקבלים E1-P שהופך מיד ל E2-P. האפיניות במצב זה לסידן נמוכה ויש שחרור של יוני הסידן לתוך הSR (הידרוליזה תוך שחרור Pi) ומקבלים E2 שאיננה יציבה והופכת מידית ל E1. אוקסלואצטט- גורם לירידה בריכוז יוני הסידן החופשיים בתוך ה-SR, המשאבה פועלת יותר, הצימוד נשאר. יונומיצין- מפר צימוד, הוא מפזר את ריכוז יוני הסידן לפי מפל ריכוזים, כלומר יוציא אותם מה-SR.

טרנסלוקציה של חלבונים:

טרנסלוקציה זהו תהליך העברת חלבונים, לאחר או בעת תרגומם, אל האברון אליו הם שייכים. ישנם חלבונים ציטוזוליים, טרנסממברנליים וחלבונים המופרשים מהתא. לחלבון שנוצר יש רצף פפטידי הנקרא Signal Sequense לא נמצא בחלבון הבוגר והוא מסמל לחלבון לאן הוא צריך להגיע. לכל אברון רצף סיגנל שונה. רצפי סיגנל של חלבון שצריך להגיע לגרעין נמצאים במרכז החלבון, מפוזרים ואינם עוזבים את החלבון הבוגר. בדר"כ רצף הסיגנל נמצא בקצה ה-N של החלבון. ניתן לחלק את הטרנסלוקציה ל-2: טרנסלוקציה לאחר או בזמן התרגום.

לאחר תרגום: קודם כל החלבון מתורגם כולו ורק אז הוא מועבר לאברון אליו הוא שייך, מתרחשת בחיידקים ובמיטו' (באאוקריוטיים). בזמן התרגום: בזמן תרגומו, החלבון מועבר אל התא, מתרחשת ב-ER (באאוקריוטיים). ER: רטיקולום אנדופלסמטי, "קיפולים" של ממברנה. יש ER מחוספס (מכיל ריבוזומים) וחלק. כשחלבון מועבר דרך ה-ER הוא יוצא בתוך וסיקולות.

טרנסלוקציה בחיידקים - לאחר תרגום: מתבצעת בתוך קומפלכס שנקרא טרנסלוקאז- מכיל כמה חלבונים: SecA, SecYEG (מורכב מ-3 חלבונים היוצרים תעלה). בשלב ראשון, אל החלבון נקשר SecB- צ'אפרון שנקשר לחלבון כדי למנוע את הקיפול השלישוני שלו. אח"כ החלבון מגיע לטרנסלוקאז, יש משיכה כלשהי בין SecB ל-SecA. [ ל-SecA יש תפקיד של ATPase- יש הידרוליזת ATP ועקב כך החלבון מתחיל לעבור את הממברנה. SecA עוזב את החלבון, כעת הוא יכול להקשר לאזור אחר בחלבון, לעשות הידרוליזת ATP ולהכניס עוד חלק בחלבון. ]- שלב זה מתרחש כמה פעמים עד שהחלבון נכנס כולו! בשלב אחרון SecA עוזב, Leader peptidase חותך את רצף הסיגנל מהחלבון והחלבון משתחרר בתוך האורגנלה.

טרנסלוקציה ב-ER - בזמן התרגום: מנגנון שונה מלאחר התרגום אע"פ שיש תת יחידות דומות לטרנסלוקאז המבצעות העברה. הקומפלכס שאחראי על העברה ב-ER נקרא Sec61 (מורכב מ-3 תת יחידות ??? הדומות ל- SecYEG). השוני העיקרי הוא שבמקרה זה הריבוזום נקשר לקומפלכס. הטרנסלוקציה מתחילה לאחר תרגום של ~70 ח' אמינו, החלבון מכיל את רצף הסיגנל. SRP- signal recognition particle- מזהה את רצף הסיגנל. נקשר לריבוזום ובעל אפיניות גבוהה לרצפטור SRP הנמצא בממברנת ה-ER. SRP54- תת יחידה ב SRP שיש לה פעילות של GTPase, יכולה לעשות הידרוליזת GTP.לאחר קישור SRP יש עצירה של התרגום וכל הקומפלכס מנותב לממברנה. בשלב זה יש הידרוליזת GTP, SRP משוחרר מהקומפלכס ויש המשך של התרגום. לאחר ההכנסה של החלבון, Leader peptidase מסיר את רצף הסיגנל והחלבון משוחרר ל-ER.

טרנסלוקציה במיטו' - לאחר תרגום: למיטו' יש 2 ממברנות. לכל ממברנה קומפלכס תעלות מעבר: בחיצונית יש תעלות Tom ובפנימית תעלות Tim. לכל ממברנה יש רצף סיגנל אחר בחלבון. רוב חלבוני המיטו' עוברים מהציטוזול אל תוך המיטו'. יש חלבונים שעוברים רק את הממברנה החיצונית ונשארים בחלל הבינממברנלי, יש כאלו שנכנסים למטריקס ויוצאים לחלל, כאלו שנשארים במטריקס וכאלו ש"נתקעים" בממברנות. יש 2 סוגי צ'אפרונים: MSF, Hsp70. מעבר דרך ממברנה חיצונית ע"י Tom: Tom37/70 מזהה חלבונים עם MSF, Tom 20/22 מזהה חלבונים עם Hsp70. בחצייה הראשונה גם אלו שזוהו ע"י Tom37/70 מועברים ל- Tom 20/22. לאחר מכן החלבון מועבר ל- Tom40 שזוהי בעצם תעלה שמעבירה את החלבון. Tom 20/22 מכיל "זיפים" עם שיירים טעונים שלילית- זה מה שמושך את האיזור החיובי ברצף הסיגנל. מעבר דרך ממברנה פנימית ע"י Tim: בזמן מעבר החלבון Tom ו-Tim חייבים להיות מקבילים וסמוכים כדי שהחלבון יוכל להיכנס למטריקס. יש עוד סוג צ'אפרון Matrix Hsc70 שנקשר לחלבון ומושך אותו למטריקס, נמצא בתוך המטריקס. אם החלבון מיועד למטריקס אז יש הסרה של רצף הסיגנל ע"י Leader peptidase. חלבון שנכנס למטריקס ומיועד לצאת אל החלל הבינממברנלי מכיל 2 רצפי סיגנל סמוכים. במעבר לתוך המטריקס צריך שיתקיים בין החלל הבינממברנלי למטריקס PNF: proton motive force- מפל מטענים. השוואה בין המנגנון בחיידק ובמיטו': דומה- הטרנסלוקציה מתרחשת לאחר התרגום. רצף הסיגנל אינו חלק מהחלבון הבוגר. יש תפקוד של צ'אפרונים. שונה- רצף הסיגנל קצת שונה (בחיידק יש רצף סיגנל אחד ובמיטו' ייתכנו 2). בחיידק המעבר הוא החוצה ובמיטו' זה כניסה לממברנות (ואז תתכן גם יציאה לבינממברנלי מהמטריקס וגם כניסה למטריקס). לא מדובר באותם הצ'אפרונים. מדובר ב-2 מנגנונים שונים.

השוואה בין רצפי הסיגנל בחיידק ובמיטו':

דומה: שניהם נמצאים בקצה האמיני. שניהם לא יהיו כלולים בחלבון הבוגר. לשניהם הרכב דומה.

שונה: בחיידק רצף הסיגנל קצר יותר מאשר במיטו'. בחיידק רצף הסיגנל הוא- קצרות (אלאנין) - הידרופוביות - בסיסיות (ארגינין R וליזין K). במיטו' רצף הסיגנל עשיר בח' אמינו הידרוקסיליות (כמו סרין ותראונין) ובח' אמינו בסיסיות שטעונות חיובית ב- pH=7 (K,R). בחיידק רצף הסיגנל מעוגן לממברנה (? הליקס תקוע בממברנה, מחוץ לממברנה יש את ח' הטעונות והח' הקצרות- אל הקצרות קשור החלבון), ובמיטו' כל רצף הסיגנל מתקפל לסליל ? שצדי האחד טעון חיובית ובצדו השני יש קב' הידרוקסיליות- כל רצף הסיגנל נכנס דרך תעלת Tom אל הממברנה הטעונה שלילית.

ראייה:

הראייה מבוססת על בליעה של אור ע"י פוטורצפטורים בעין. התאים רגישים לאור באזור צר מאוד של הספקטרום האלקטרו מגנטי, באורכי הגל 300-800nm. לבעלי חוליות יש 2 סוגים של פוטורצפטורים: אחד בצורת מוט והשני בצורת קונוס. תאי הקונוס פועלים באור בהיר ואחראים על הראיה הצבעונית. בעלי התאים בצורת המוט פועלים באור אפל וחשוך ולא מייצרים צבע (ראייה שחור-לבן). הרשתית של בני אדם מכילה בערך 3,000,000 תאי קונוס ומאה מליון תאי עמוד. תאי עמוד מגיבים לפוטון אחד ולמוח נדרשות 10 תג' כאלו על מנת שיקלוט אור. לתאי העמוד יש מבנה של שלוחות ארוכות. הקטע החיצוני מתמחה בקבלת אור. הוא מכיל ערימה של אלף דסקיות העטופות בממברנה יחד עם מול' פוטורצפטור. המול' הרגישה לאור נקראת פיגמנט ויזואלי, בגלל שהוא נצבע כשהוא בולע אור. הפוטורצפטור בתאי העמוד נקרא רודופסין (מכיל את החלבון אופסין הקשור לקב' הפרוסטטית 11-cis Retinal. רודופסין בולע אור ביעילות רבה במרכז ספקטרום האור הנראה ובליעתו המקסימלית היא ב-500nm. אופסין הוא חבר במשפחת ה-7TM רצפטורים. צבעו ורגישותו לאור תלויים בנוכחותה של קב' בולעת אור (כרומופור- 11-cis Retinal). הרטינל הוא פוליאן ובשל כך בליעתו גדולה מאוד. הוא בעל 10 קשרי יחיד-כפול לסירוגין ולכן הוא יוצר רשת e^-. הבליעה המקסימלית של רטינל חופשי היא ב-370nm. כאשר רטינל מגיב עם אופסין בליעתו המקסימלית הולכת לאורכי גל ארוכים יותר- לכיוון הצבע האדום. בליעה של אור גורמת לאיזומריזציה של 11-cis Retinal ל- all trans Retinal. אנרגיית האור של פוטון הופכת לאנרגיית תנועה אטומית. השינוי במקום האטומי, כגון קישור של ליגנד לרצפטור 7TM, גורם לסדרת אירועים שבסיכומה תיסגר תעלת היונים ויווצר אימפולס עצבי. רודופסין עובר שינויים מבניים שבסופם מטה רודופסין 2. מטה רודופסין 2 (נקרא גם R*) אנאלוגי למצב של קשירת ליגנד לרצפטור 7TM. צורה זו של רודופסין מאקטבת חלבון G שמעביר את הסיגנל. חלבון ה-G שמגיב עם רודופסין נקרא טרנסדוצין. מטה רודופסין 2 מפעיל את השחלוף של GDP ב-GTP בתת יחידה ? של טרנסדוצין. בעת קשירה של GTP, תת יחידות ?? של טרנסדוצין משוחררות ותת יחידה ? משפעלת cGMP פוספודואסטראז ע"י קישור אליו והורדה של תת יחידה מעכבת. זהו אנזים המזרז את ההידרוליזה של cGMP ל-GMP. הירידה בריכוז cGMP גורמת לתעלות יוניות התלויות ב-cGMP להסגר, דבר הגורם להיפרפולריזציה של הממברנה ולאימפולס עצבי. יש צורך בעצירת הסיגנל מהר מאוד וחזרת המע' למצבה ההתחלתי: תחילה, רודופסין משופעל חייב להיחסם בכדי שיפסיק לשפעל את הטרנסדוצין. רודופסין קינאז מזרז את הפוספורילציה של הקצה הקרבוקסילי של מטה רודופסין 2 במס' שיירי סרין ותראונין. ארסין: זהו חלבון מעכב הנקשר למטה רודופסין 2 שעבר פוספורילציה, מונע אינטראקציה עם טרנסדוצין. שנית, תת יחידה ? של טרנסדוצין חייבת לחזור למצב לא פעיל כדי למנוע את המשך מעבר הסיגנל. כמו בחלבוני G אחרים, הטרנסדוצין הוא בעל פעילות GTPase והוא מבצע הידרוליזה ב-GTP קשור ל-GDP. ההידרוליזה מתרחשת תוך פחות משניה כאשר טרנסדוצין קשור לפוספודואסטראז. צורת ה-GDP של טרנסדוצין עוזבת את הפוספודואסטראז ונקשרת בחזרה לתת יחידות ??. בעקבות זה פוספודואסטראז חוזר למצבו הפעיל. שלישית, רמת ה-cGMP חייבת לעלות כדי לפתוח את התעלות התלויות בה. פעילות של גואנולאט ציקלאז מבצעת תפקיד זה ע"י סינתזת cGMP מ-GTP. יון הסידן הוא מעכב של גואנולאט ציקלאז. בחשיכה, יוני סידן ונתרן נכנסים לתא העמוד לקטע החיצוני דרך תעלות יוניות התלויות ב-cGMP. זרימה של יוני סידן מאוזנת ע"י נשאים שמעבירים 4 יוני נתרן לתוך התא ויון אשלגן מחוץ לתא (נעשה בשל העדפה תרמודינמית). לאחר הארה, נפסקת כניסת יוני נתרן דרך התעלות אבל יציאתו דרך הנשא ממשיכה, רמת יוני הסידן הסידן בציטוזול יורדת מ-500nM ל-50nM. ירידה משמעותית זו משפעלת את גואנולאט ציקלאז ומשחזרת במהירות את ריכוז cGMP. ע"H בקרב של קצב סינתזת cGMP יוני הסידן משפיעים על המהירות בה חוזרת המע' למצב ההתחלתי. תאים בצורת קונוס, כמו תאים בצורת עמוד, מכילים פיגמנטים ויזואליים. כמו רודופסין, הפוטורצפטורים הללו הם חברים במשפחת 7TM רצפטורים ומכילים 11-cis Retinal בתור הכרומופור שלהם. בתאי קונוס בבני אדם יש 3 סוגים של פוטורצפטורים עם בליעה מקסימלית ב- 426nm (צבע כחול), 530nm (צבע ירוק), 560nm (צבע אדום). רצף הח' האמינו בתאי העמוד והקונוס זהים בערך ב-40%, האדום והירוק דומים ביותר מ-95% ברצף.

אינטגרציה של מטבוליזם:

כל מסלול מטבוליזם מבוקר באופן עצמאי ויש תיאום בין כל המסלולים- גליקוליזה, סינתזת ח' שומן, מעגל קרבס, שרשרת העברת e^- וכו'. ישנו תיאום מלא בין כל המסלולים. ישנם מס' עקרונות של מטבוליזם: 1)יחסים אנרגטיים בתא. בכדי לתפקד (לסנתז ולגדול) יש צורך בקליטת אנרגיה והפיכתה למטבע אנרגטי אחד ATP. פעילויות התנועה בתא, טרנספורט אקטיבי, ביוסינתזה של חומרים והעברת סיגנלים דורשים ATP לצורך התרחשותם, תוך הפיכת ATP ל-ADP. ריאקציות בעלות ?G חיובי מצומדות לפירוק ATP. קליטת האנרגיה ויצירת ATP מתרחשת ע"י חמצון מול' דלק או פוטוסינתזה. היחס ATP/ADP מסמל את רמת האנרגיה בתא ומשפיע על כל התהליכים הנ"ל. 2)יחסים של קטבוליזם ואנאבוליזם תלויים בפוטנציאל חמצון חיזור. בריאקציות קטבוליות שמתרחשות בעיקר לכיוון חמצון, יש חיזור של NAD⁺ ויצירת NADH. לעומת זאת NADP⁺ ו-NADPH הם קופקטורים לריאקציות חיזור אנאבוליות. יש חמצון של NADPH ל-NADP⁺. מכניזם בקרה של מטבוליזם: 1)בקרה על רמת האנזים ע"י שינוי כמותי של האנזים הגורם לריאקציה מרכזית במטאבוליזם. 2)בקרה על פעילות האנזים- ע"י שינוי של אנזימי מפתח בכל מסלול- זוהי בקרה אלוסטרית. 3)מידור, הפרדה בין תהליכים מטאבוליים. לכל רקמה תפקיד שונה. 4)בקרה הורמונלית. 5)בקרה ע"י מודיפיקציה קוולנטית. יש שימוש בבקרה ע"י שינוי קוולנטי בנוסף לבקרה אלוסטרית כיוון ששינוי קוולנטי של אנזים זהו בדרך כלל השלב האחרון במפל המאפשר לדרכים מטבוליות להיות "מודלקות" או "מכובות" במהירות ע"י ריכוז נמוך מאוד של סיגנלים מעוררים. כמו כן, שינוי קוולנטי עמיד יותר מאשר אינטראקציות אלוסטריות.  בקרה על פעילות האנזים:

*בקרה אלוסטרית: בעיקר ע"י עיכוב בהיזון חוזר. השפעה של התוצרים, לאו דווקא תוצרים ישירים אלא תוצרים של סוף מסלול או של מסלול אחר. הבקרה נעשית באתר שונה מהאתר הפעיל. בעקבות קישור זה יש שינוי בקונפורמציה, בקרה הפיכה, תלוי בריכוז האפקטור.

*בקרה קוולנטית: זרחון ואדנילציה, בלתי הפיך מבחינה קוולנטית אך ניתן להפוך את הפעולה ע"י אנזים. עקב מודיפיקציה קוולנטית יש שינוי בפעילות האנזים- חלקם גורמים לשפעול האנזים וחלקם לירידה בפעילות. ידועות גם מודיפיקציות קוולנטיות ע"י הוספת ח' שומן הגורמות לעלייה באפיניות של חלבון לממברנה, ח' שומן מעדיפות להיות בממברנה ומשמשות כעוגן בממברנה.   בכל מסלול יש צמתים, נק' מפתח הנתונות לבקרה (צומת- נק' בהן מסלולים שונים נפגשים או מתחברים אחד לשני). בגליקוליזה- מתרחשת בציטוזול. ישנה המרה של מולקולת גלוקוז לשתי מולקולות פירובט תוך יצירת שתי מולקולות ATP ו-NADH. אנזים מפתח הוא הפוספופרוקטוקינאז, המזרז את השלב המחייב בגליקוליזה, ולכן הוא אתר הבקרה החשוב ביותר. אנזים זה עשיר באתרים אלוסטרים. בכבד, הבקרה החשובה ביותר על פוספופרוקטוקינאז מתבצעת ע"י .F-2,6-BP כאשר רמת הגלוקוז בדם נמוכה, יש ירידה ברמת F-2,6-BP. אם כך, יש האטה בגליקוליזה ושחרור גלוקוז לשימוש ברקמות אחרות. משופעל ע"י F-2,6-BP, AMP ומעוכב ע"י ATP- בקרה עפ"י אנרגיית התא. היחס AMP/ATP הוא מאוד רגיש ולכן משמש כרגולטור טוב. רמת F-2,6-BP תלויה ברמה ההורמונלית. בגלוקונאוגנזה- גלוקוז יכול להיות מסונתז ע"י הכבד והכליות ממקורות שאינם פחמימתיים כלקטט, גליצרול וח' אמינו.  אנזים מפתח הוא פרוקטוז 1,6 ביספוספאט. מעוכב ע"י AMP, F-2,6-BP ומשופעל ע"י ציטרט. הצטברות של ציטרט במעגל קרבס מראה על עודף אנרגיה ולכן יש שפעול של הגלוקונאוגנזה, סינתזת גלוקוז, יש שימוש באנרגיה לצורך סינתזה. במעגל קרבס- השלב הראשון, הפיכת פירובט לאצטיל CoA, הוא בלתי הפיך ויש עליו בקרה. גליקוליזה וגלוקונאוגנזה מבוקרות כך שכאשר מתרחש אחד התהליכים, השני מתרחש בצורה מינימלית בלבד.  בסינתזת ח' שומן: ריאקציה 1 היא בלתי הפיכה (הפיכת אצטיל CoA למאלוניל CoA). האנזים משופעל ע"י ציטרט ומעוכב ע"י התוצר הסופי פלמיטויל CoA. בדומה, השלב הראשון בפירוק ח' שומן, קארניטין אצילטרנספראז I מעוכב ע"י מאלוניל CoA. במסלול פנטוז הפוספט יש בקרה של רמת חמצון-חיזור. הצלבה בין מסלולים: גלוקוז הופך לגלוקוז 6 פוספט. G-6-P יכול להיכנס ל-3 מסלולים: 1)להפוך ל F-6-P לאחר מכן לפירובט ואז להיכנס לגלוקונאוגנזה. 2)להפוך ל G-1-P ואז להפוך לגליקוגן. 3)להפוך ל 6-פוספוגלונאט ואז לריבוז 5 פוספט ולהיכנס למסלול פנטוז הפוספט.  פירובט הוא התוצר העיקרי של הגליקוליזה. בתנאים אנאאירובים הוא הופך ללקטט (שריר)- זוהי ריאקציה חשובה לגליקוליזה כי גורמת לשחזור NADH. מלקטט ניתן לקבל בחזרה פירובט בעודף NADH. פירובט הוא מקור לאוקסלואצטט. אוקסלואצטט יכול להיכנס לגלוקונאוגנזה (סינתזת גלוקוז) ושם יהפוך ל G-6-P ואז ניתן לקבל פירובט בחזרה. פירובט הופך לאצטיל CoA  שגם הוא יכול להכנס ל-3 מסלולים: 1)סינתזת ח' שומן ויצירת אצטיל CoA בחזרה מפירוקן. 2)יצירת CO₂ במעגל קרבס ויצירת מול' ATP. 3)כאשר אצטיל CoA לא נכנס למעגל קרבס, יש מחסור באוקסלואצטטט לעומת עודף של אצטיל CoA, הוא יכול ללכת לריאקציית סינתוז כולסטרול, הורמונים וגופי קטון, כגון אצטואצטט ואצטון, שיכולים להיות מקור אנרגיה בריאקציות אחרות.

מידור: בציטוזול מתרחשים הגליקוליזה, סינתזת ח' שומן ומסלול פנטוז הפוספט.

במטריקס המיטוכונדריאלי מתרחשים פירוק ח' שומן, מעגל קרבס, פוספורילציה אוקסידטיבית ויצירת גופי קטון.   הקשר בין הרקמות השונות מתרחש דרך מע' הדם.

המוח: מקבל כמקור אנרגיה רק גלוקוז המועבר אליו ע"י GLUT3, המספק כמות קבועה של גלוקוז למוח ובמקרים חריגים גופי קטון (במצב של רעב מתמשך). בגלל מחסום בין המוח למע' הדם, אלבומין הקושר ח' שומן לא מגיע למוח ולכן ח' שומן לא יכולות לספק מקור אנרגיה. אין מאגרי אנרגיה ולכן יש צורך באספקה רציפה של גלוקוז. במוח גלוקוז עובר חמצון מלא ל-CO₂.

שריר הלב: הדלק העיקרי הוא ח' שומן. כמו כן, גופי קטון ולקטט יכולים לשמש כדלק. למעשה, הלב מעדיף שימוש באצטואצטט על פני גלוקוז.

רקמה שומנית: אחראית לאספקת ח' שומן לרקמות אחרות ולאספקת גליצרול. מאגר עשיר מאוד של ח' שומן וגליצרול בצורה של טריאצילגליצרול. פירוק טריאצילגליצרול נעשה ע"י שימוש באנרגיה מגלוקוז.

שריר: מבצע עבודה מכנית ומשתמש גם בגלוקוז ובח' שומן כמקור אנרגיה וגם בגופי קטון. בנוסף, מתרחשת בשריר סינתזת גליקוגן לצורך אחסון אנרגיה. כתוצאה מגליקוליזה אינטנסיבית (תנאים אנאאירובים) בשעת עבודה נוצר ריכוז גבוה של לקטט שעובר למע' הדם ונכנס לכבד. בעקבות פעילות מוגברת של גליקוליזה יש פירוק חלבונים ונוצר אלאנין. בשעת מנוחה, ח' שומן הן הדלק העיקרי בשריר ומספקות 85% מן האנרגיה הדרושה. 

כבד: מפעל לעיבוד מזון ואספקת גלוקוז לרקמות אחרות. ח' שומן מגיעות לכבד ושם מסונתז טריאצילגליצרול או שנכנסות ל-? אוקסידציה ליצירת אנרגיה. גלוקוז מסונתז בכמויות גדולות בכבד לצורך אספקה למוח ולשריר. גלוקוז 6 פוספטאז הוא אנזים סופי בגלוקונאוגנזה ואינו נמצא בשריר ובמוח אלא רק בכבד. הכבד יכול להשתמש בכל המקורות כמקור אנרגיה- ח' אמינו, ח' שומן, גלוקוז וגופי קטון. ריכוז הגלוקוז בדם הוא 4-5mM, כמות נמוכה של אנרגיה- אם גלוקוז לא נכנס למחזור הדם האנרגיה הזו מנוצלת תוך דקות. בכבד יש פחות גלוקוז מאשר בשריר כיוון שיש יותר שריר בגוף. המוח צורך כ-60% מהגלוקוז שנוצר בכבד, בנוסף גלוקוז נצרך כמזון בעת מנוחה. 15% של האנרגיה היומית נצרכת ע"י המוח. פעילות המוח לא משתנה הרבה ממצב שינה למצב מבחן. 20% מצריכת החמצן היא ע"י המוח ולכן הפסקת אספקת גלוקוז וחמצן למוח יכולה לגרום לנזק אדיר תוך זמן קצר.

מעגל קורי: הקשר בין גליקוליזה לגלוקונאוגנזה. במצב פעיל של שריר נוצר לקטט מעודף של פירובט, זוהי חומצה והיא גורמת לירידה ב-pH ולהתכווצות שרירים. לקטט עובר לדם ומשם לכבד והופך שם לפירובט. פירובט נכנס למסלול הגלוקונאוגנזה והופך לגלוקוז שיוצא מהכבד אל הדם ומהדם בחזרה לשריר.

בקרה הורמונלית: תיאום בין המסלולים המטבוליים: קטבוליזם ואנאבוליזם. מבוססת על רמת הגלוקוז בדם (במצב נורמלי 0.8mg/ml). כאשר רמת הגלוקוז בדם יורדת ל-0.4mg/ml, מופסקת פעילות טרנספורטרים של גלוקוז למוח. קיימים 3 הורמונים המבקרים פעילות זו: אינסולין, גלוקוגון ואפינפרין. כאשר רמת הגלוקוז בדם גבוהה זה גורם ליצירת אינסולין. אינסולין מזרז קליטת גלוקוז מהדם אל הכבד וזירוז סינתזת גליקוגן. ממריץ גליקוליזה ומעכב גלוקונאוגנזה בכבד.  גלוקוגון- משפיע על מסלול הפוך, פירוק גליקוגן והפרשת גלוקוז מהכבד אל תוך הדם. כתוצאה מצריכת מזון יש עלייה בריכוז גלוקוז בדם ולכן יש סינתזת ח' שומן, טריאצילגליצרול וגליקוגן. מתרחשת אגירה של ח' שומן ברקמת השומן וסינתזת גליקוגן בשריר. המוח והלב מתפקדים בצורה נורמלית. רמת גלוקוז בדם גבוהה ולכן יש ייצור גבוה של אינסולין המזרז תהליכים אלו. בין הארוחות, כל המאגרים שיצטברו מנוצלים ליצירת גלוקוז וח' שומן. יש שמירה על מצב תקין, ריכוז נורמלי של גלוקוז בדם, שריר מנצל ח' שומן שהצטברו, המוח מקבל גלוקוז מהכבד ונמצא במצב תקין.

במצב הרעבה- מצב מסוכן. אם מקורות גליקוגן בכבד ובשריר מנוצלים עד הסוף ויש חוסר באוקסלואצטט, יש הצטברות של כמויות גבוהות של אצטיל CoA ולא ניתן לשרוף אותן ללא אספקה של אוקסלואצטט מגליקוליזה והם הופכים לגופי קטון. מקור יחיד לסינתזת גלוקוז במצב הרעבה הוא מפירוק חלבונים. יתרחש רק פירוק של ח' שומן, השריר יכול לקבל אנרגיה מח' שומן. השריר והמוח לא מקבלים גלוקוז מהדם, כיוון שרמת הגלוקוז ירדה לרמה בה הטרנספורטרים כבר לא מעבירים גלוקוז מהדם למוח ולכן יש הפקה של אנרגיה מגופי קטון- מסלול לא יעיל, נכנסים למעגל קרבס דרך סוקציניל CoA ומאפשרים פעילות של המוח והלב. במצב הרעבה רמת הגלוקוז יורדת מהר מאוד, רקמות שונות עוברות לניצול ח' שומן, רמת ח' שומן בדם עולה ולאחר יומיים של הרעבה רמת גופי הקטון בדם עולה בצורה משמעותית. יש יחס הפוך בין קצב יצירת ATP ממול' דלק לריכוזם.מעגל קרבס איטי יותר מגליקוליזה ופירוק גליקוגן לקלוקוז בכבד עוד יותר איטי. קצב שריפת שומנים הוא איטי גם כן אך ניתן לקבל הרבה יותר אנרגיה. לאחר הפעלת השריר יש ניצול ATP בשניות הראשונות ויצירת אנרגיה וקראטין פוספט מתחיל מטאבוליזם אנאאירובי. לאחר דקות מתחיל במקביל מטאבוליזם אאירובי (יותר מהיר מאנאאירובי). סכרת- יש שני סוגים: I- יש מחסור באינסולין, II- אין תגובה לאינסולין. בעקבות כך חולי סכרת יהיו במצב הרעבה תמידי, רמת הגלוקוז בדם תהיה גבוהה מאוד אך הרקמות לא יקבלו גלוקוז ויהיו בהרעבה. הכבד נתקע במצב של גלוקונאוגנזה ויצירת גופי קטון. אין ספיגה של גלוקוז לתאי האדיפוז (תאי ח' שומן) ולכן לא יווצרו ח' שומן. בתאי השריר יהיה פירוק חלבונים לשם יצירת ח' אמינו וגלוקוז. עקב המחסור בגלוקוז יהיה מחסור באוקסלואצטט ולכן אצטיל CoA יהפוך לגופי קטון. מתבטא בריח של אצטון מחולה בסכרת או מאדם הנמצא בהרעבה.

פוטוסינתזה:

פוטוסינתזה מתרחשת בכלורופלסטים, בתאים ירוקים. מנגנון המרת האנרגיה נמצא בממברנת התילקואידים. השלב הראשון בפוטוסינתזה הוא קליטת אור ע"י כלורופיל, מול' פיגמנט. לאחר מכן יש יצירה של e^- בעלי אנרגיה גבוהה עם פוטנציאל חיזור גבוה. e^- אלו משמשים ליצירת NADPH ו-ATP בסדרת תג' הנקראות תג' אור, זאת כיוון שהן זקוקות לאור על מנת להתרחש. NADPH ו-ATP הנוצרים בתג' האור מחזרים CO₂ והופכים ל-3 פוספוגליצראט בסדרת תג' הנקראות מעגל קלווין (או תג' חושך). תג' האור של הפוטוסינתזה משתמשות באנרגיית הפוטונים ליצירת e^- רב אנרגטיים המשמשים לחיזור NADP⁺ ל-NADPH ובאופן בלתי ישיר בשרשרת מעבר הe^- ליצירת מפל פרוטונים לאורך הממברנה. תוצר לוואי של תג' אלו הוא O₂. בתג' חושך, NADPH ו-ATP הנוצרים בעקבות האור גורמים לחיזור של CO₂ לתרכובות אורגניות שימושיות יותר. לכלורופלסט 3 ממברנות שונות: חיצונית, פנימית וממברנת תילקואיד, ו-3 איזורים נפרדים: חלל בינממברנלי, סטרומה וחלל התילקואיד. הממברנה הפנימית מקיפה סטרומה, שזהו אתר הפעילות הפחמנית של הפוטוסינתזה. בתוך הסטרומה ישנם מבנים המוקפים בממברנה הנקראים תילקואידים וצורתם דיסקות שטוחות. הם נערמים יחד ליצירת גרנומות. ממברנות התילקואידים מכילות אמצעים למעבר אנרגיה: חלבונים קולטי אור, מרכזי ריאקציה, שרשרת מעבר e^- ו-ATP סינתאז. ממברנת התילקואיד והממברנה הפנימית בעלות חדירות גבוהה ליונים ומול' קטנות. הסט רומה מכילה אנזימים מסיסים אשר גורמים לפעולת NADPH ו-ATP הנוצרים ע"י התילקואיד להמיר CO₂ לסוכר. השלב הראשון הוא קליטת אור ע"י כלורופיל. כלורופיל הם מול' קולטן לפוטונים יעילות מאוד כיוון שהן בעלות קשרים יחידים וכפולים מצומדים- פוליאנים.

יש להם אזורי קליטה מאוד חזקים בתחום הנראה של הספקטרום. קבוע הקליטה המקסימלי של כלורופיל a גבוה מ-10⁵M^-1cm^-1. אנרגיית האור מעוררת e^- מרמת היסוד שלו לרמה המעוררת. לe^- בעלי אנרגיה גבוהה יכולים להיות מס' מסלולים. ברוב המול' הקולטות אור הe^- פשוט חוזר לרמת היסוד והאנרגיה מומרת לחום. אך אם מצוי מקבל e^- מתאים, הe^- המעורר יכול לנוע מן המול' הראשונים למקבל. תהליך זה גורם להיווצרות מטען חיובי על המול' הראשונית והיווצרות מטען שלילי על המקבל, מתייחסים לזה כאל הגברת הפרדת מטענים. האזור בו זה מתרחש נקרא מרכז ריאקציה. פוטוסינתזה בצמחים ירוקים מבוקרת ע"י 2 קומפלכסים מקושרי ממברנה הרגישים לאור: פוטוסיסטם I (PSI) ופוטוסיסטם II (PSII). PSI מכיל בדר"כ 13 שרשראות פוליפפטידיות, יותר מ-60 מול' כלורופיל, קווינון (ויטמין K₁) ו-3 צוותים של 4Fe-4S. המסה המולרית גבוהה מ-800Kd. PSII מורכב מלפחות 10 שרשראות צד פוליפפטידיות, יותר מ-30 מול' כלורופיל, יון ברזל לא הֶמי ו-4 יוני מנגנז. PSI מגיב לאור עם אורך גל הקצר מ-700nm, בעוד ש-PSII מגיב לאורך גל הקצר מ-680nm. תחת תנאים רגילים, הe^- זורמים תחילה דרך PSII, לאחר מכן דרך Cyt-bf, קומפלכס המקושר לממברנה והומולוגי ל- Q-CytC אוקסידורדוקטאז, ואז דרך PSI. הe^- מגיעים ממים: 2H₂O מחומצנות ליצירת מול' O₂ עבור כל 4e^- הנשלחים דרך שרשרת מעבר e^- זו. הe^- בסופו של דבר מחזרים NADP⁺ ל-NADPH. תהליכים אלו יוצרים מפל פרוטונים לאורך הממברנה התילקואידית שגורם ליצירת ATP. הריאקציה הכוללת המזורזת ע"י PSII: , כאשר Q- פלסטוקווינון ו-QH₂- פלסטוקווינול. הקווינון מומר מצורתו המחומצנת למחוזרת. PSII לוקח e^- ממים ויוצר חמצן מולקולרי. תג' זו מתרחשת במרכז מיוחד המכיל 4 יוני מנגנז. הפוטוכימיה של PSII מתחילה עם עירור זוג מיוחד של מול' כלורופיל, המקושר ע"י תת יחידות D₁ ו-D₂. הוא מורכב מכלורופיל a. הזוג המיוחד קרוי לפעמים P680. P680 מעביר e^- במהירות לפאופיטין המצוי בקרבה (כלורופיל עם 2H⁺ במקום יון Mg⁺² מרכזי). משם הe^- מועבר תחילה לפלסטוקווינון המחובר חזק באתר Q_A, ואז לפלסטוקווינון חלופי באתר Q_B. P680⁺, מחמצן חזק מאוד, מוציא e^- ממול' מים המקושרות חזק למרכז מנגנז. מנגנז נבחר לתפקיד זה כיוון שיכול להתקיים בהרבה מצבי חמצון ויכול ליצור קשרים חזקים עם מינים המכילים חמצן. מרכז המנגנז, בצורתו המחוזרת, מחמצן 2H₂O ל-O₂ יחיד. בכל פעם שקליטת פוטון מוציאה e^- מ-P680, ארבעה שלבים פוטוכימיים נדרשים על מנת להוציא את הe^- ולחזר את מרכז המנגנז. PSII מקיפה את ממברנת התילקואיד כך שאתר חיזור הקווינון נמצא בצד של הסטרומה, בעוד שמרכז המנגנז, אתר החמצון של המים, נמצא בלומן התילקואיד. 2H⁺ הנלקחים בכל חיזור של Q באים מהסטרומה ו4H⁺ המשתחררים בעת חמצון המים משתחררים לתוך הלומן ונוצר מפל פרוטונים. הQH₂ שנוצר ע"י PSII תורם את הe^- שלו להמשך שרשרת מעבר הe^- אשר מסתיימת בPSI. הe^- הנ"ל מועברים, אחד אחד, לפלסטוציאנין (Pc), חלבון נחושת שנמצא בלומן התילקואיד. . 2 הפרוטונים מפלסטוקווינול משוחררים לתוך לומן התילקואיד. הקומפלכס Cyt-bf מכיל 4 תת יחידות. קומפלכס זה מזרז את התג' דרך מעגל Q בחצי הראשון של המעגל, QH₂ מחומצן ל-Q, כל פעם e^- אחד. Pc זהו חלבון קטן ומסיס עם יון נחושת בודד.בצורתו המחומצנת ל-Pc צבע כחול מאוד. החמצון של QH₂ מסתיים בשחרור 2H⁺ ללומן התילקואיד. בחצי השני של מעגל Q, Cyt-bf מחזר מולקולה שניה של Q ל-QH₂, לוקח 2H⁺ מצד אחד של הממברנה ואז מחמצן מחדש QH₂ כדי לשחררם בצד השני של הממברנה. האנזים ממוקם כך שהפרוטונים משוחררים ללומן התילקואיד (נלקחים מהסטרומה), תורם למפל הפרוטונים לאורך הממברנה. השלב האחרון בריאקציות האור מזורז ע"י PSI (הומולוגי ל-PSII ב-40%). גרעין מע' זו הוא זוג של שתי תת יחידות psaA ו-psaB זהות. זוג מיוחד של מול' כלורופיל נמצא במרכז המבנה וקולט אור מקסימלי ב-700nm. מרכז זה, P700, מאתחל הגברה בהפרדת מטענים. הe^- מועבר לאורך הדרך בכלורופיל באתר A₀ ו-Q באתר A₁ לסט צבתים של 4Fe-4S. משם הe^- עובר לפרדוקסין (Fd), חלבון מסיס המכיל צבת 2Fe-2S. המטען החיובי של P700⁺ מנוטרל ע"י מעבר e^- מ-Pc מחוזר. התג' הכוללת המזורזת ע"י PSI היא תג' חמזור פשוטה: . תג' זו מזורזת ע"י קליטת פוטון ב- ?=700nm בעל אנרגיה של 40.9Kcal/mol. השיתוף בין PSI לPSII יוצר מעבר e^- ממים ל-NADP⁺. חיזור NADP⁺ מזורז ע"י פרדוקסין-NADP⁺ רדוקטאז. קב' ה-FAD המקושרת באנזים זה מקבלת e^-, אחד בזמנו, מ-2 מול' פרדוקסין מחוזר, כאשר זה עובר מהצורה המחומצנת שלו דרך חומר ביניים (סמיקווינון) לצורה המחוזרת המלאה. לאחר מכן, האנזים מעביר יון הידריד ל- NADP⁺ ליצירת NADPH. תג' זו מתרחשת בסטרומה. לקיחת הפרוטון לשם חיזור NADP⁺ ממשיכה לתרום לגרדיאנט הפרוטונים לאורך ממברנת התילקואיד. סינתזת ATP מונעת ע"י כוח של מפל פרוטונים. החלל התילקואיד נהיה מאוד חומצי, pH~4. האנרגיה נקראת כוח פרוטוני מניע ?p והוא מורכב מ-2 מרכיבים: גרדיאנט מטען וגרדיאנט כימי. בכלורופלסטים כמעט כל ?p נובע מגרדיאנט pH בעוד שבמיטו' ישנה תרומה גדולה מפוטנציאל הממברנה. הסיבה להבדל זה נובעת מחדירות ממברנת התילקואיד ל-Mg⁺² ול-Cl^-. מעבר H⁺ המוגבר בגלל האור לחלל התילקואיד מלווה במעבר כלוריד באותו הכיוון או Mg⁺² בכיוון ההפוך. כתוצאה מכך נשמרת נייטרליות חשמלית ולא נוצר פוטנציאל מטען ממברנלי. ?p מומר ל-ATP ע"י ATP סינתאז של כלורופלסטים, הנקרא גם קומפלכס CF₁-CF₀. הוא דומה לזה של המיטו'. CF₀ מעביר פרוטונים לאורך ממברנת התילקואיד בעוד ש-CF₁ מזרז היווצרות ATP מ-ADP ו-Pi. האוריינטציה הממברנלית של CF₁-CF₀ היא הפוכה. אם כך, פרוטונים זורמים מהלומן דרך ATP סינתאז לתוך הסטרומה. כיוון ש-CF₁ מצוי בשטח הפנים של הסטרומה, ATP הנוצר משוחרר ישירות לתוך הסטרומה.זרימת e^- מעגלית דרך PSI מובילה ליצירת ATP במקום NADPH. הe^- בפרודוקסין המחוזר יכולים להיות מועברים לקומפלכס Cyt-bf ולא ל-NADP⁺. לאחר מכן הe^- זורם חזרה דרך הקומפלכס Cyt-bf לחיזור Pc שיכול להיות מחומצן מחדש ע"י P700⁺ להשלמת המעגל. תוצאה נטו של מעגל זה היא שאיבת H⁺ ע"י Cyt-bf. מפל הפרוטונים הנוצר מניע סינתזת ATP. בתהליך זה, פוטופוספורילציה, ATP נוצר ללא הווצרות NADPH. PSII לא משתתף בפוספורילציה מעגלית וכך O₂ לא נוצר ממים. פוספורילציה מעגלית מתרחשת כאשר NADP⁺ אינו זמין לקבל e^- מפרודוקסין מחוזר בגלל יחס גבוה מאוד של NADPH ל-NADP⁺. תג' נטו: . פיגמנטי עזר, כגון כלורופיל, ופיגמנטים אחרים מקושרים למרכזי ריאקציה. פיגמנטים אלו קולטים אור ומזרימים את האנרגיה למרכז הריאקציה לשם המרה לצורות כימיות. יש 2 תנאים להעברת האנרגיה: 1)ספקטרום הפליטה של התורם מספיק קרוב לספקטרום הבליעה של המקבל (100-150nm). 2)קרבה פיזית בין מול' הפיגמנט. כלורופיל b וקרוטיאונידים הם מול' קוצרות אנרגיה ומזרימות אותה למרכז הריאקציה. כלורופיל b קולט אור בטווח 450-500nm. קרוטיאונידים הם פוליאנים נרחבים הקולטים אור בטווח 400-500nm, אחראים כמעט על כל הצבעים הצהובים והאדומים. פיגמנטי העזר נערכים במס' קומפלכסים קוצרי אור שמקיפים באופן מושלם את מרכז הריאקציה.

מעכבים: DCMU- מעכב מעבר e^- ל- Cyt-bf. פלוריזין- מעכב את ATP סינתאז (את F₀). NH₄Cl- מפר צימוד. DCCD- מעכב העברת פרוטונים דרך F₀, ברגע שיש פגיעה בסינתזת ATP אז יש פגיעה במעבר e^-. EDTA- מפר צימוד. מפריד בין F₀ ל-F₁. EDTA+DCCD- ביטול הפרת צימוד.