מדידת מצב מטבולי באמצעות המיטוכונדריה

הפוסט הזה מנסה לגשר על הפער בין התיאוריה לפרקטיקה בנושא הפעילות של המיטוכונדריה ומדידת תנגודת אינסולין. הרעיון הכללי הוא שימוש בעקרונות תרמודינימיים על מנת להעריך את מצב האנרגטי של המיטוכונדריה. במידה ואנו מסכימים שמצב המיטוכונדריה משקף את המצב המטבולי של הגוף מציאת דרך להעריך את המצב של המיטוכונדריה יהיה כלי יעיל לשיקוף מצב מטבולי זה.

רמת הפוסט: מתקדם

Hans Adolf Krebs

ד”ר קרבס היה ביוכימי בריטי-גרמני שמוכר בעיקר עבודתו על מעגל קרבס. מעגל זה מתאר את מסלול יצירת האנרגיה במיטוכונדריה.

לצורכינו מה שמעניין אותנו הם השלבים שבהם +NAD מקבל אלקטרון (עם פרוטון) והופך לNADH. מולקולה זאת ממשיכה אל הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה ומעבירה את האלקטרון אל Q וחיזורו לQH2 לייצור ATP. חוץ ממעגל קרבס NADH נוצר משלבים מוקדמים יותר במעגל בעיקר מגלוקוז ולכן ידיעת מצב ה[NAD+]/[NADH] במיטוכונדריה ייתן את התלות של התא בגלוקוז לאנרגיה.

במאמר הנקרא The Redox State of Free Nicotinamide-Adenine Dinucleotide in the Cytoplasm and Mitochondria of Rat Liver קרבס מנסה להעריך את [NAD+]/[NADH] באמצעות ידיעת ריכוזים אחרים בתא.

צוות המעבדה של קרבס בשנת 1968 כאשר הם עבדו איפיון המעגלים הביכומיים:

העקרון שלו מבוסס על כך שלגופים הנמצאים בשיווי משקל יש קבוע המייצג את אותו שיווי משקל שלרוב מסומן באות K.

הרעיון של קרבס היה להעריך את אותו שיווי משקל באמצעות beta-hydroxybutyrate (מה שאנו מכירים כגוף קטון המרכזי שמספק אנרגיה למוח בקטוזיס) וacetoacetate שהוא גם כן תוצר לוואי של הקטוזיס המספק אנרגיה למוח אך במידה מועטה יותר. הפיתוח המלא של המשוואה לוקח בחשבון עוד צמדים רבים של חומרים הנמצאים בשיווי משקל במיטוכונדריה. באמצעות מדידת קבועי שיווי המשקל אלה ומטמטיקה בסופו של דבר מגיעים אל המשוואה הבאה:

כאשר את ריכוז הacetoacetate ניתן למדוד על ידי הנשימה או שתן ואת ריכוז beta-hydroxybutyrate על ידי מכשיר פשוט עם דגימת דם. ריכוז יוני המימן הוא למעשה מדד של הpH כאשר בתנאים פיזיולוגיים הpH מוערך ב7.2 ולכן ערכו ידוע. קיבלנו משוואה פשוטה שבאמצעות מדידת מספר ערכים ניתן לקבל הערכה של היחס [NAD+]/[NADH] במיטוכונדריה. כעת מה עם עושים עם המספר הזה? מספר זה הוא איכותי ובלבד ולכן על מנת שיהיה לו משמעות יש לקבל ערכים של [NAD+]/[NADH] ממדגם גדול של אנשים במצבים מטבוליים שונים כדי לדעת למקם מצבים מטבולים באופן יחסי אחד לשני.

במדידות שנעשו על עכברים במאמר שסוקר את המאמר המקורי של קרבס מתקבלת הטבלה הבאה:

מתוך המאמר:

“During fasting, the redox state of the free cytoplasmic [NAD]/[NADH] couple falls to around 500; when animals are fed normal chow, the ratio is around 1000; whereas when animals are fed a high carbohydrate diet, the ratio becomes 1800 (Table III). The changes in the mitochondrial NAD couple are generally in the same direction. The question obviously arises as to why do the redox states change. The answer would appear to reside in the fundamental thermodynamic properties of the substrate selected. During fasting, the liver is metabolizing free fatty acids and using amino acids in the gluconeogenic pathway. During high carbohydrate feeding, liver is metabolizing glucose to form pyruvate, which in turn is metabolized by the mitochondrial citric acid cycle”

אפשר לראות שככול שכמות הפחמימות בתזונה עולה כך היחס [NAD+]/[NADH] עולה עקב הצורך של התא בשימוש בסוכר ולכן הוא מנצל הרבה NADH וריכוזו קטן. באמצעות הערכות כמו אלו שנעשו על עכברים ניתן לקבל סדרי גודל על הערכים שיש לאנשים סוכרתיים, קטוגניים, בתזונה גבוהה בפחמימות וכו’.

הכוח הגדול של הבדיקה הזאת שהיא מאפשרת למדוד את מצב המטבוליזם של הנבדק בצורה ביתית. כיום אין מדי אינסולין ביתיים ולכן לרוב מסתמכים על מדי סוכר או קטונים שהם אינם מדוייקים מספיק כדי לשקף מצב מטבולי.

קטונים, אנרגיה חופשית וROS

נושא נוסף שנבדק בעקבות בדיקת קבועי שיווי המשקל הוא המצב האנרגטי של האנרגיה החופשית ביצירת ATP. מה היא אנרגיה חופשית? בגדול ככול שהאנרגיה החופשית יותר שלילית כך תהליכים יירצו לקרות בעצמם ללא השקעת אנרגיה חיצונית וככול שהאנרגיה החופשית חיובית יותר כך נצטרך להשקיע יותר אנרגיה בהתחלת התהליך.

כאשר מדברים על ייצור ATP בתא מדברים על הפוטצניאל החשמלי במיטוכונדריה והאנרגיה החופשית הדרושה לייצור הATP. במאמר שניסה למדל מספרית את התהליכים נבדקו תאי לב של עכברים בחשיפה לתנאים שונים של גלוקוז, גופי קטון ואינסולין.

הגברת האינסולין אל התא מוריד את צריכת החמצן של ב14%, ללא קשר לנוכחות גופי קטון. כאשר הפוטנציאל של הממברנה ירד מ143mV- ללא קטונים ל120mV- עם קטונים כך שיש פחות זרימה לאחור של אלקטרונים ופחות ROS (רדיקלים חופשיים). המשמעות של כך היא פחות נזק לתא ולמיטוכונדריה.

התרשים המלא עם כול הריכוזים הנמדדו במסלול של מהלך קרבס (תמונה יפה מאד):
כאשר G מסמן תזונה מבוססת גלוקוז, GK גלוקוז + קטונים וGIK מסמן גלוקוז + קטונים + אינסולין.

במאמר נוסף שמחשב את האנרגיה החופשית הדרושה ליצירת ATP עולה התמונה הבאה עבור האנרגיה שמשתחררת משימוש בכול זוג אטומי פחמן ממולקלות שונות לאנרגיה:

האנרגיה החופשית לייצור ATP נעה בטווח צר של 60- ~ 53- KJ\mole. מניתוח הכמות האנרגטית שנדרש כדי לייצר ATP בגלוקוז אין מספיק אנרגיה ולכן מתבזבז ATP פוטנציאלי ובשומן יש יותר מידי אנרגיה ולכן צריך לשחרר את האנרגיה על ידי UCP (החזרת פרוטונים אחורה בממברנה). המולקולה היחידה שהאנרגיה שלה עומדת בתנאים המתאימים בדיוק של האנרגיה החופשית של ייצור ATP היא beta-hydroxybutyrate וזה מסביר את הפוטנציאל הנמוך במיטוכונדריה בעקבות שימוש בקטונים כמקור אנרגיה. מתוך המאמר:

“The C2 units entering the citric acid cycle vary in their heats of combustion by almost a factor of 2. When pyruvate enters the cycle, 15 high energy phosphates are formed by the reducing equivalents produced. The delta G ATP hydrolysis is held in very narrow limits between -53 to -60 kJ/mole [37], a variation of less than 10%, not a factor of 2. To produce these 15 ATP requires -795 to -900 kJ/15 moles. If pyruvate is being metabolized, there are only -778 kJ available, meaning that the ATP produced must be of low energy. If glucose is being metab olized to produce the pyruvate, 18 ATP are produced because of the extra NADH produced in the cytoplasm. These 18 ATP would require -954 to -1080 kJ, leading to the same conclusion since C2 units from glucose contain only -933 kJ. On the other hand, if C2 units from fats are being metabolized in the cycle, there is too much energy contained to be accommodated in the 15 ATP produced, making uncoupling a thermodynamic imperative. It turns out that the metabolism of beta-hydroxybutyrate, containing 1021 kJ/mole C2 unit, has only about 10% excess energy required, some of which must be used to accommodate the obligatory energy loss between cytochrome oxidase and O2. The optimum amount of energy contained inherently in this metabolite seems an adequate explanation for the increased metabolic efficiency observed during ketone metabolism”

יכולת זו של הקטונים לשמור על פוטצניאל נמוך במיטוכונדריה ובעקבו כך על ROS נמוך מסביר את היעילות שלהם בטיפול במחלות הקשורות במוח בו הניורונים רגישים לרמות גבוהות של ROS. תזונה קטוגנית ידועה הרבה זמן ככלי טיפולי באפילפסיה וכעת נבדקת על מחלות אחרות, ככול הנראה המנגנון של הורדת הROS יתאים גם למחלות אלו.

הפוסט הבא שמומלץ לקרוא: גלוטתיון ותנגודת אינסולין