פוטוסינתזה

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 QA, ואז לפלסטוקווינון חלופי באתר QB. 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- λ=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 Δp והוא מורכב מ-2 מרכיבים: גרדיאנט מטען וגרדיאנט כימי.

בכלורופלסטים כמעט כל Δp 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. Δp 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.

ד"ר יעקב עזרא (P.hD) מומחה לרפואה נטורופתית. ייעוצים בתחומי התזונה והספורט, הבריאות – טיפול במחלות שונות, אנטי-אייג'ינג (האטת תהליכי זקנה). לפגישת יעוץ בקליניקה: 0528567140 www.HealthNFit.org   www.Diet2all.org    www.Diet2all.net  

בקרה קוולנטית: זרחון ואדנילציה

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.