5.3:5.3 מחזור ה- TCA

Last updated
Save as PDF

Page ID: 208553

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

אז אתה אוקריוט צעיר וחם עם כל מיני אברונים קרומיים פנימיים מהודרים, עם צורך להוכיח את עצמך טוב יותר מהפרוקריוטים השומרים הישנים - מה אתה עושה? ובכן, לעשות scads של ATP, כמובן! ולכאורה ללא מאמץ בכך, תוך שימוש רק בשקעים שנותרו לאחר שהגליקוליזה עברה במולקולת גלוקוז: NADH ופירובט. גליקוליזה באאוקריוטים, כמו גם מקורותיה הפרוקריוטים, מתרחשת בציטופלזמה. מחזור ה-TCA (נקרא גם מחזור חומצת לימון) מתרחש בתוך המטריצה של המיטוכונדריה, אברון בעל קרום כפול.

הפירובט צריך לפלס את דרכו מהציטופלזמה, דרך ממברנות המיטוכונדריה החיצוניות והפנימיות, ואל המטריצה המיטוכונדריאלית. איך זה עובד? הממברנה החיצונית נקבובית, רצופה בערוצי אניון גדולים יחסית לא ספציפיים המכונים תעלות אניון תלויות מתח (VDAC), ויודה בקלות בפירובט. לעומת זאת, הממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית אטומה ביותר, וכניסת פירובט מווסתת באופן ספציפי על ידי חלבון טרנספורטר פירובט.

צילום מסך 2018-12-23 בשעה 10.43.52 AM.png — איור\(\PageIndex{3}\). אצטיל-קואנזים A מורכב מארבעה חלקים מולקולריים מובחנים.

1. ברגע שהפירובט נכנס למטריצה המיטוכונדריאלית, קומפלקס פירובאט דהידרוגנאז (המורכב משלוש תת-יחידות אנזים E1, E2 ו- E3) ממיר אותו לאצטיל-CoA (איור) לכניסה למחזור החומצה הטריקרבוקסילית (TCA). \(\PageIndex{3}\) _{תגובה זו מייצרת NADH ומשחררת CO 2.}

קומפלקס פירובט דהידרוגנאז (איור\(\PageIndex{4}\)) הוא למעשה מיזוג של שלושה אנזימים. כלומר, ישנן שלוש יחידות משנה למתחם: פירובט דהידרוגנאז (E1), דיהידרוליפויל טרנסאצטילאז (E2) ודיהידרוליפויל דהידרוגנאז (E3). שלוש יחידות המשנה הללו קשורות בקשרים לא קוולנטיים. _{יחידת המשנה פירובאט דהידרוגנאז E1 פועלת תחילה, תוך שימוש בקופקטור תיאמין פירופוספט (TPP) כדי לסייע בהסרת CO 2 מהפירובט ליצירת הידרוקסיאתיל-TPP.}

זה משמש מיד כמצע על ידי E2, וכתוצאה מכך התחדשות של TPP והפעלה מחדש של פירובאט דהידרוגנאז, וגם מה שהופך את האצטיל-דיהידרוליפואמיד הביניים. לקואנזים A, שהוא גם מצע ל- E2, יש קבוצת סולפידריל שתוקפת את קבוצת האצטיל של אצטיל-דיהידרוליפואמיד. קבוצת האצטיל מועברת מיד לקואנזים A ליצירת האצטיל-CoA שנכנס למחזור TCA.

השלב האחרון הוא שהדיהידרוליפואמיד יתחמצן בחזרה לליפואמיד על ידי E3. ^{שלב החמצון הזה הוא שיוצר את ה- NADH מ- NAD +.}

צילום מסך 2018-12-23 בשעה 10.45.16 AM.png — איור\(\PageIndex{4}\). פירובט דהידרוגנאז הוא קומפלקס של שלוש יחידות משנה אנזימטיות, E1, E2 ו- E3, הפועלות ברצף כפי שמתואר כאן.

עכשיו לשקול את התפלגות הגלוקוז. נזכיר כי הפירוק המלא של אותו סוכר בעל שישה פחמן אמור להניב שש מולקולות חד פחמן של פחמן דו חמצני. בגליקוליזה, הגלוקוז מתפרק לשתי מולקולות של פירובט בעל שלושה פחמנים. כאשר הפירובט הופך לאצטיל-CoA, CO ₂ אחד נוצר לכל מולקולה של פירובט. זה משאיר רק ארבעה פחמנים (בשתי מולקולות 2-פחמן של אצטיל-CoA) מחוץ לגלוקוז המקורי 6. מחזור TCA ישחרר כל אחד מאותם פחמנים כמו CO ₂ גם כן. הכרת התגובות בהן משתחררים הפחמנים הנותרים היא דרך טובה ללמוד את המחצית הראשונה של מחזור ה- TCA.

כחלק בלתי נפרד של קואנזים A, ויטמין B ₅, או חומצה פנטותנית, נדרש עבור מחזור TCA, ולכן, עבור ייצור יעיל נורמלי של ATP. עם זאת, בניגוד לכמה ויטמינים אחרים, מחסור ב- B ₅ הוא נדיר, ובדרך כלל קשור למחסור בוויטמינים אחרים או תת תזונה כללית. מצד שני, מחסור בוויטמין B אחר המעורב בפעילות פירובאט דהידרוגנאז (איור\(\PageIndex{4}\)), תיאמין (B ₁), יכול להוביל לתסמיני מחלה המכונים beriberi.

ארסן, או ליתר דיוק תרכובות המכילות ארסן כמו ארסניט וארסן, רעילות לתאים על ידי הפרעה לתגובה זו. תרכובת הארסן יכולה לקיים אינטראקציה עם דיהידרוליפואמיד, וכתוצאה מכך מחזוריות על ידי קישור של שתי הגופרית הסולפהידריל לאטום הארסן. זה מונע מ-E2 לעבוד, ולא ניתן ליצור אצטיל-CoA לייצור ATP באמצעות מחזור TCA וזרחון חמצוני. יש לציין כי תרכובות ארסן אלו משפיעות גם על קילוגרמים אחרים המכילים סולפהידריל, ובהקשר של מחזור TCA, הוא יכול גם להשבית α-ketoglutarate dehydrogenase, הדומה לפירובאט דהידרוגנאז.

תסמיני Beriberi מסווגים בשתי קבוצות: beriberi רטוב משפיע על מערכת הלב וכלי הדם עם תסמינים כגון לב מוגדל, גודש ריאות, קוצר נשימה, נפיחות ברגליים התחתונות, אי ספיקת לב; beriberi יבש (הידוע גם בשם תסמונת Wernicke-Korsakoff) משפיע על מערכת העצבים. התסמינים כוללים פוליניוריטיס במערכת העצבים המרכזית וההיקפית כאחד, מה שמוביל לכאבים, עקצוצים, אובדן תחושה בגפיים, אובדן תפקוד שרירים או שיתוק ברגליים התחתונות, הקאות, ניסטגמוס ובסופו של דבר בלבול נפשי, קשיי דיבור, תרדמת ומוות.

ליקויים גנטיים במתחם פירובאט דהידרוגנאז מובילים לבעיות דומות, אך חמורות יותר באופן מיידי. המוטציה הנפוצה ביותר היא מוטציה דומיננטית מקושרת X ביחידת המשנה של E1. מוטציות אובדן תפקוד PDC כמו גם מוטציות בפירובט קרבוקסילאז ומוטציות בציטוכרום אוקסידאז, נחשבות לגורמים למחלת ליי, שלעתים קרובות היא קטלנית בילודים, אם כי חריגים שרדו קצת יותר מעשור. חמצת לקטית קשה וחוסר היכולת לייצר אנרגיה מספקת, במיוחד בנוירונים (שבדרך כלל יוכלו לחילוף חומרים של שומן - ראה סעיף של קטבוליזם של חומצות שומן - אך אינם יכולים בחולים אלה) ותאי שריר, הם הגורם הבסיסי לתסמינים.

2. אצטיל-CoA נכנס למחזור החומצה הטריקרבוקסילית כמצע של סינתאז ציטראט, מה שמוסיף אותו לאוקסלואצטט לייצור ציטראט. זו הסיבה שמחזור זה נקרא גם מחזור חומצת לימון. ציטראט, בעל שלוש קבוצות קרבוקסיל, הוא חומצה טריקרבוקסילית, המובילה לשם בו ישתמש טקסט זה. השם הנפוץ הנוסף לכך הוא מחזור קרבס, כפי שהוצע לראשונה על ידי הנס קרבס בשנת 1937.

סינתאז ציטראט הוא אנזים דימרי שבצורתו המקורית יש שסע מחייב לאוקסלואצטט. קישור של אוקסלואצטט גורם לשינוי קונפורמטיבי הסוגר את אתר הקישור לאוקסלואצטט, נועל אותו וחושף בו זמנית את אתר הקישור של אצטיל-CoA. המודל הנוכחי לתגובה זו כולל שלושה שלבים: אצטיל-CoA מומר לתווך אנול, התוקף את האוקסלואצטט ליצירת ציטרוניל-CoA (S-citryl-CoA), אשר לאחר מכן עובר הידרוליזה לציטראט וקואנזים A.

3. בשלב הבא, אקוניטאז מסדר מחדש את הציטראט ליצירת איזוציטראט.

אקוניטאז דוחף ציטראט לתוצר ביניים cis-aconitate, אשר מומר לאחר מכן לאיזוציטראט. מעניין לציין כי בעוד שאקוניטאז מכיל אשכול Fe-S, נראה שהוא אינו משתתף בתגובות חיזור כפי שקורה בדרך כלל לקבוצות כאלה. במקום זאת, מטרתו היא להחזיק את cis-aconitate במקומו בתוך האנזים כאשר הוא [cis-aconitate] עובר היפוך מולקולרי מוזר בדרכו לאיזוציטראט.

נתרן פלואורואצטט, המכונה גם תרכובת 1080, הוא חומר הדברה נפוץ המשמש בעיקר נגד מכרסמים ומזיקים אחרים של יונקים, ויכול לפעול בבני אדם אם הוא נבלע. לאחר הצגתו לאורגניזם, ניתן להמיר אותו לפלואורואצטיל-CoA ולאחר מכן לפלואורוציטראט, אשר פועל לאחר מכן כמעכב תחרותי של אקוניטאז. ככזה, ההרעלה משפיעה בצורה הקשה והמהירה ביותר על רקמות עם צרכי אנרגיה גבוהים. לא מוכרים תרופות נוגדות יעילות למינונים קטלניים של הרעלת פלואורואצטט.

4. ^{איזוציטראט הוא מצע לאיזוציטראט דהידרוגנאז, המעביר אלקטרון בעל אנרגיה גבוהה מהאיזוציטרט אל NAD + כדי ליצור NADH ו-α-ketoglutarate.} תגובה זו משחררת גם CO ₂ אחד. למי שעוקב אחר מעקב בבית, זה משאיר שני פחמנים נוספים מהשישה בגלוקוז.

^{האיזוציטראט דהידרוגנאז התלוי ב ^{- NAD +} נמצא למעשה בשני איזופורמים ביונקים: איזופורם ניצול NAD ⁺ במטריצה המיטוכונדריאלית, ואיזופורם המשתמש ב- NADP+שנמצא בציטוזול כמו גם במיטוכונדריה.} ^{התגובה מתחילה בחמצון המייצר NADH של איזוציטראט לאוקסואלוסוקסינאט, אשר לאחר מכן עובר דה-קרבוקסילציה בעזרת קופקטור Mn ^{2+ או Mg 2+} כדי לשחרר את הפחמן הדו חמצני וליצור α-ketoglutarate.}

5. אלפא-קטוגלוטרט מתחמצן גם הוא (על ידי α-קטוגלוטרט דהידרוגנאז) ויוצר NADH וסוקסיניל-CoA. בדומה לאצטיל-CoA, תרכובת זו הקשורה ל-CoA מכילה קשר תיואסטר בעל אנרגיה גבוהה. תגובה זו משחררת את ה- CO ₂ הסופי מהגלוקוז.

α-ketoglutarate dehydrogenase דומה מאוד למתחם פירובאט דהידרוגנאז מבחינה מבנית ומכניסטית. ישנם שלושה אנזימים: α-קטוגלוטרט דהידרוגנאז, דיהידרוליפויל טרנסוקסינילאז ודיהידרוליפויל דהידרוגנאז. בדומה גם לקומפלקס פירובאט דהידרוגנאז, התוצר הסופי הוא מולקולה המכילה קשר תיואסטר בעל אנרגיה גבוהה.

6. ה-CoA מתחדש על ידי סינתטאז סוקסיניל-CoA, היוצר גם סוקסינאט ו-GTP או ATP. GTP זה הוא מבחינה אנרגטית שווה ערך ל- ATP, ומיוצר בתאי בעלי חיים. הומולוגים חיידקיים וצמחים של אנזים זה משתמשים ב- ADP ויוצרים ATP. היווצרות של ATP/GTP זה אפשרית מכיוון שהקשר התיואסטר בעל האנרגיה הגבוהה של succinyl-CoA נשבר.

succinyl-CoA synthetase מפגיש תחילה את הסוקסיניל-CoA והפוספט האורגני (בתמיסה בתוך המטריצה המיטוכונדריאלית כמו גם הציטוזול) כדי לייצר סוקסיניל פוספט ולשחרר את ה-CoA. לאחר מכן מועבר הפוספט מהסוקסיניל פוספט, לאנזים עצמו באופן זמני, ואז מפיל את הסוקסינאט. ולבסוף, הפוספט מועבר ל- GDP/ADP.

7. לאחר מכן, הסוקסינאט מתחמצן. _{האנזים שעושה זאת, succinate dehydrogenase, שונה מעט משאר הדהידרוגנזים מכיוון שבמקרה זה מוטבע בקרום המיטוכונדריאלי הפנימי, ובמקום להעביר את האלקטרון ל- NAD ⁺, האלקטרון מועבר ל- FAD, מה שהופך את FADH 2, ופומראט.} האנרגיה ב- FADH ₂ יכולה לשמש גם להפעלת ייצור ATP בדומה לאנרגיה ב- NADH.

למרות שהפישוט הרגיל של המעמד הפנימי הוא ש- FADH ₂ שווה בערך ל- NADH, המצב למעשה מסובך יותר. שלא כמו NAD ⁺, ולצורך העניין, בניגוד לרוב ההתרחשויות של FAD, ה-FAD קשור קוולנטית ל-succinate dehydrogenase. לכן, זה לא מטבוליט מסיס, וגם לא זמין לחמצון מחדש ממש כמו NADH. זה, כמובן, מחומצן מחדש. אבל, זה קורה בהקשר של שרשרת הובלת האלקטרונים (שם היא מכונה קומפלקס II), בעזרת קואנזים Q.

8. Fumarase מזרז את תוספת המים לפומרט ליצירת מאלאט.

הקשר הכפול של הפחמן של fumarate מותקף על ידי הידרוקסיל (OH ^-) ליצירת מעבר קרבניון, אשר לאחר מכן מקבל פרוטון (H ⁺) מהאנזים ליצירת המלט. האנזים fumarase הוא פרוטוני באותו זמן שהוא קושר fumarate, והוא deprotonated בסוף כדי ליצור את malate.

9. מלאט מתחמצן על ידי מאלאט דהידרוגנאז בתגובה הסופית של מחזור ה-TCA ליצירת יותר NADH, ואוקסלואצטט, שהאחרון שבהם ניתן להוסיף לאצטיל-CoA כדי להתחיל את המחזור מחדש.

מלט דהידרוגנאז דומה במבנהו לדהידרוגנאז לקטט ולאלכוהול דהידרוגנאז המוזכר בסעיף התסיסה. מבחינה אנרגטית, שינוי האנרגיה החופשית הסטנדרטית של תגובה זו הוא חיובי מאוד (29.7 kJ/mol) אך האוקסלואצטט מומר במהירות לציטראט, כך שיותר היווצרות של אוקסלוקטט מועדפת על פני היווצרות מאלאט.

כעת, לאחר שתואר המחזור השלם, יש לציין כי ויסות מחזור זה הוא בעיקר באמצעות זמינות אצטיל-CoA ואוקסלואצטט, כמו גם ריכוז NADH. ככל שקצב הנשימה עולה, רמות NADH יורדות ככל שהן מתחמצנות ליצירת ATP (ראה סעיף הבא). ירידה זו ב- [NADH] גורמת לאחר מכן לעלייה באוקסלואקטט, המשמש לאחר מכן על ידי סינתאז ציטראט. [אצטיל-CoA] מוסדר על ידי הסינתזה שלו על ידי פירובאט דהידרוגנאז. בצד ההפוך של הרגולציה, הן NADH והן succinyl-CoA הם מעכבים חזקים של α-ketoglutarate dehydrogenase. לפיכך, כאשר NADH מנוצל, האנזים אינו מעוכב ומגביר את ייצורו של יותר NADH.

לאחר שלקחנו את 2 הפירובטים שנוצרו במהלך הגליקוליזה דרך מחזור ה-TCA להשלמת החמצון ל-CO ₂, מה נשאר עם הגיבור האיקריוטי חסר הפחד שלנו? _{שני מקבילות ATP (GTPs) שישה NADH, ושני FADH 2.} זה כמעט לא נראה אוצר של אנרגיה שמישה ששווה להתפאר בה. למרבה המזל, המיטוכונדריון לא נגמר. לאחר מכן, האלקטרונים בעלי האנרגיה הגבוהה ייסעו על שרשרת הובלת האלקטרונים, ובאמצעות הקסם של זרחון חמצוני, ייצרו ATP על ידי הדלי.