מעגל קרבס

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

מעגל קרבס הוא מסלול מטבולי המשמש להפקת אנרגיה בייצורים חיים.

מעגל קרבס, הקרוי על שם הביולוג היהודי-גרמני הנס אדולף קרבס, נקרא גם מעגל חומצת הלימון (או מעגל החומצה הציטרית) ומעגל החומצות הטריקרבוקסיליות (ובקיצור באנגלית: מעגל TCA).

[עריכה] חשיבות המסלול

בייצורים אווירניים מהווה מעגל קרבס את השלב השני מתוך שלושה בתהליך הנשימה התאית. לפני המעגל מתרחשת הגליקוליזה; התוצר שלה, פירובט, מומר לאצטיל קואנזים A, אשר מהווה את תחילתו של מעגל קרבס. התוצר של המעגל הוא שני קואנזימים מחוזרים (כלומר - נושאי אלקטרונים עודפים; מקורם של האלקטרונים באצטיל קואנזים A אשר מפורק בַמעגל); שני אלו - NAD ו-FAD - עוברים לשלב השלישי של הנשימה, הזרחון החמצוני, שם הם תורמים את האלקטרונים שלהם. בסופו של תהליך הנשימה התאית נמסרים האלקטרונים לחמצן. מעבר האלקטרונים מהמזון (ראשיתו של תהליך הנשימה התאית) אל החמצן (סופו של תהליך הנשימה התאית) מלווה בפליטת אנרגיה, אותה מסוגל התא לנצל בשלב מאוחר יותר.

מעגל קרבס מתרחש במיטוכונדריה בייצורים אוקריוטיים ובציטופלזמה ביצורים פרוקריוטיים (חיידקים).

[עריכה] שלבי התהליך

המעגל מורכב משרשרת של שמונה תגובות כימיות; בתגובה הראשונה משתתף חומר הנקרא אוקסלואצטט (Oxaloacetate); חומר זה נוצר גם בתגובה האחרונה בשרשרת, ולפיכך מדובר ב"מעגל": אוקסלואצטט מגיב בתחילת המעגל עם אצטיל קואנזים A, וגורם בכך להתנעת התהליך; מולקולת האוקסלואצטט הנוצרת בסוף התהליך יכולה להגיב עם עוד מולקולת אצטיל קואנזים A ולהתניע מעגל חדש; לפיכך, מולקולת אוקסלואצטט אחת יכולה להגיב עם מספר בלתי מוגבל של מולקולות אצטיל קואנזים A.

תרשים מפורט של מעגל קרבס. בכחול: אנזימים; בכתום: קואנזימים. בשוליים מופיעות חומצות אמינו (בקוד של 3 אותיות) המסוגלות להפוך לתוצרי ביניים של המעגל ולהזין אותו

להלן פירוט שלבי מעגל קרבס:

• אוקסאלואצטט מתחבר לאצטיל קואנזים A ויוצר ציטרט (Citrate).
• ציטרט עובר שינוי איזומרי והופך לאיזוציטרט (Isocitrate).
• איזוציטרט מאבד פחמן דו-חמצני והופך לאלפא-קטוגלוטרט (α-Ketoglutarate).
• אלפא-קטוגלוטרט מאבד פחמן דו-חמצני, מתחבר לקואנזים A ויוצר סוקציניל (Succinyl) קואנזים A.
• סוקציניל קואנזים A מאבד קואנזים A והופך לסוקצינט (Succinate).
• סוקצינט הופך לפומרט (Fumarate).
• פומרט הופך למלט (Malate).
• מלט הופך לאוקסאלואצטט.

ניתן לראות כי איבוד של פחמן דו-חמצני מתרחש פעמיים לאורך המעגל. זוהי מהותו ותפקידו העיקרי של המעגל: אטומי הפחמן, שמקורם בגלוקוז, בחלבונים ובחומצות השומן שאנו צורכים במזון, מתחמצנים באופן מלא והופכים לפחמן דו-חמצני, אשר בבעלי חיים נפלט מהתא אל מחזור הדם ולאחר מכן אל הסביבה בתהליך הנשימה. זהו מקורו של הפחמן הדו-חמצני שאנו נושפים מריאותינו. כשהמזון מתחמצן לפחמן דו-חמצני הוא מאבד אלקטרונים, אשר מועברים ממעגל קרבס אל השלב הסופי של הנשימה התאית - הזרחון החמצוני - שם הם יימסרו באופן סופי למולקולות חמצן. מעגל קרבס הוא, אם כן, התחנה הסופית של תהליך פירוק המזון שאנו צורכים (שכן בזרחון החמצוני לא נעשה כל פירוק שהוא, והדבר גם אינו אפשרי - המזון כולו חומצן במעגל קרבס לפחמן דו-חמצני ונפלט אל הסביבה).

ניתן גם לראות (בעזרת התרשים) את מקור שמותיו של המעגל: "מעגל חומצת הלימון" קרוי על שם תוצר הביניים הראשון - ציטרט (היון של חומצה ציטרית, חומצת לימון); "מעגל החומצות הטריקרבוקסיליות" כיוון שציטרט, איזוציטרט ואלפא-קטוגלוטרט הם יונים של חומצות קרבוקסיליות משולשות, המכילות שלוש קבוצות קרבוקסיל (COOH).

[עריכה] הכנה למעגל קרבס: מפירובט לאצטיל קואנזים A

צילום במיקרוסקופ אלקטרוני חודר של מיטוכונדריון, בו מתרחש מעגל קרבס

החומר ההתחלתי שנכנס למעגל קרבס הוא אצטיל קואנזים A; החומר הסופי בתהליך הגליקוליזה, לעומת זאת, הוא פירובט. לפני מעגל קרבס מתרחשת לפיכך המרה של השני לראשון.

קואנזים A, מולקולה ארוכה הנגזרת מ-ATP ומוויטמין B5, משמש בסך הכול כנשא של קבוצת האצטיל (CH₃C=O), והוא אינו משתתף בתגובה כלשהי. האצטיל לבדו אינו נוטה להגיב עם תרכובות אחרות, והיותו מחובר לקואנזים A גורמת ל"הפעלתו". האתר הפעיל של קואנזים A נמצא בקצה המולקולה; זוהי קבוצת תיול (סולפהידריל, אטום גופרית הקשור לאטום מימן: SH). קבוצת התיול נוטה לאבד את אטום המימן ולהתרכב עם אצטיל; תכונה זו משמשת לא רק במעגל קרבס, אלא גם בעשרות מסלולים מטבוליים אחרים בתא.

הקבוצה שאכן מגיבה במעגל קרבס היא לפיכך אצטיל. פירובט מכיל שלושה אטומי פחמן, ואילו אצטיל - שני אטומי פחמן. בצעד המקדים למעגל קרבס נפטר הפירובט מאטום פחמן אחד ומשני אטומי חמצן; התוצר הוא אצטיל ופחמן דו-חמצני. כאן מתרחשת, אם כן, הפליטה הראשונה של פחמן דו-חמצני (בבעלי חיים מפותחים: אל מחזור הדם ומשם אל הריאות והחוצה אל האוויר). שתי מולקולות נוספות של פחמן דו-חמצני, שמקורן הוא האצטיל, נפלטות במהלך מעגל קרבס. בנוסף לפחמן הדו-חמצני נפלטים גם שני אלקטרונים ופרוטון אחד, דהיינו - יון הידריד (^-H). את היון קולט נשא האלקטרונים NAD ומעביר אותו לשרשרת הנשימה, בדומה לשאר האלקטרונים הנאספים על ידי NAD בגליקוליזה ובמעגל קרבס עצמו.

התגובה שבמהלכה נפלט פחמן דו-חמצני מפירובט מכונה דקרבוקסילציה (שכן ה-COO שנפלט מהווה קבוצת קרבוקסילט). את התגובה מזרז האנזים PDH, פירובט דהידרוגנז (Pyruvate dehydrogenase). זהו מערך סבוך ומשוכלל של שלושה אנזימים וחמישה קואנזימים.

[עריכה] הרווח האנרגטי

במהלכו של מעגל קרבס נוצרת מולקולה אחת בלבד של הנוקלאוטיד ATP (לעתים נוצר GTP, אשר מומר במהרה על ידי אנזים ל-ATP), "מטבע האנרגיה" של כל הייצורים החיים. על כל מולקולת גלוקוז שאנו צורכים במזון, אם כן, מתקבלות שתי מולקולות ATP במעגל קרבס (כיוון שגלוקוז מתפרק בגליקוליזה לשתי מולקולות פירובט, וכל אחת מהן מתניעה סיבוב נפרד של מעגל קרבס).

בגליקוליזה מתקבלות גם כן שתי מולקולות ATP; לעומת זאת, בשלב הבא של הנשימה, הזרחון החמצוני, מתקבלות כ-30 מולקולות ATP. ברור, אם כן, שהזרחון החמצוני הוא השלב בו מופקת רוב האנרגיה; הגליקוליזה ומעגל קרבס הם שלבים מקדימים בלבד.

[עריכה] מעגל קרבס כצומת מטבולי

בנוסף לתפקידו העיקרי של מעגל קרבס - הפקת אנרגיה - משמש המעגל גם כצומת מטבולי בעל חשיבות עליונה. כל תוצרי הביניים של המעגל (ראו לעיל) משמשים לסנתוז ובניית חומרים שונים בתא (אנבוליזם). בנוסף, תרכובות רבות שאנו צורכים במזון, ואשר מהן לא מופקת אנרגיה באופן ישיר (נוקלאוטידים, חומצות אמינו, חומצות שומן - מתפרקים (עוברים קטבוליזם) בתא ותוצריהם מומרים לתוצרי הביניים של מעגל קרבס, כך שתרכובות אלו יכולות להיכנס ישירות למעגל ולהזין אותו.