שיעור 17 מעגל האוריאה ושרשרת הובלת אלקטרונים

חזרה - מעגל האוריאה

בשיעור הקודם דיברנו על מעגל האוריאה (Urea Cycle), המסלול המרכזי שבו הגוף מסלק עודפי חנקן על-ידי המרת אמוניה ($\ce{NH3}$) / אמוניום ($\ce{NH4+}$) (רעילה) ל-אוריאה ($\ce{(NH2)2CO}$) (פחות רעילה ומסיסה), המופרשת בשתן.

מקורות עיקריים ליצירת אמוניה בגוף:

• פירוק חומצות אמינו מהתזונה לאחר עיכול וספיגה.
• פירוק חלבונים אנדוגני (Turnover טבעי של חלבונים בתא).
• הובלת חנקן מרקמות פריפריאליות באמצעות גלוטמין (מסלול הגלוטמין).
• הובלת חנקן מהשריר באמצעות אלנין (מסלול האלנין; Glucose-Alanine cycle).

ארבע חומצות אמינו “צומתיות” בניהול החנקן:

1. אלנין - נשא מרכזי של חנקן מהשריר לכבד.
2. גלוטמט - “מרכז טרנסאמינציה”; אוסף קבוצות אמינו מחומצות אמינו רבות.
3. גלוטמין - נשא לא-רעיל של אמוניה מרקמות פריפריאליות.
4. אספרטט - תורם את אטום החנקן השני שנכנס למעגל האוריאה (בשלב יצירת ארגינינוסוקצינאט).

נקודה חשובה: מעגל האוריאה מתרחש בשני מדורים תאיים:

• במיטוכונדריה: שני השלבים הראשונים (CPS1, OTC).
• בציטוזול: שלושת השלבים הבאים (ASS1, ASL, Arginase).

כלומר, מעגל האוריאה הוא מסלול של חמישה שלבים אנזימטיים, ולא “ארבעה שלבים”.

הקשר בין מעגל קרבס למעגל האוריאה

קיים חיבור מטבולי הדוק בין מעגל האוריאה למעגל קרבס, דרך מעקף אספרטט-ארגינינוסוקצינאט (Aspartate-Argininosuccinate Shunt).

מנגנון הקישור

1. במיטוכונדריה נוצר ציטרולין (Citrulline), והוא מועבר לציטוזול.
2. בציטוזול האנזים Argininosuccinate Synthetase (ASS1) מחבר ציטרולין עם אספרטט (בצריכת $\ce{ATP}$) ליצירת Argininosuccinate.
3. האנזים Argininosuccinate Lyase (ASL) מפרק ארגינינוסוקצינאט ל-ארגינין ול-פומראט (Fumarate).
4. ה-פומראט יכול להפוך ל-מלאט ואז ל-אוקסלואצטט (OAA), וכך “נכנס” למעגל קרבס.
5. מאוקסלואצטט ניתן לייצר שוב אספרטט (באמצעות טרנסאמינציה) שמוזן חזרה למעגל האוריאה.

המשמעות הפיזיולוגית

חשוב: המעקף יוצר זרימה דו-כיוונית של תוצרי ביניים בין המעגלים:

• מעגל האוריאה משתלב במטבוליזם האנרגטי (TCA), ולא פועל כנתיב “מנותק”.
• נוצרת שמירה על מאזן תוצרי-הביניים: פומראט שמיוצר באוריאה יכול לתמוך במעגל קרבס, ואספרטט שמגיע מה-TCA מספק את החנקן השני לאוריאה.

בקרה על מעגל האוריאה

בקרת מעגל האוריאה מתבצעת בשתי רמות עיקריות:

1) בקרה ברמת ביטוי אנזימים (Gene Expression)

בעת עומס חנקני (למשל, לאחר ארוחה עתירת חלבון או במצבי קטבוליזם), הכבד מעלה את הביטוי של:

• אנזימי מעגל האוריאה עצמם
• ובעיקר של האנזים הקובע-קצב בתחילת המסלול: CPS1 (Carbamoyl Phosphate Synthetase I)

2) בקרה אלוסטרית על CPS1 באמצעות N-Acetylglutamate (NAG)

המולקולה N-Acetylglutamate (NAG) היא מפעיל אלוסטרי חיוני של CPS1:

• ללא NAG ← CPS1 כמעט ואינו פעיל.
• בנוכחות NAG ← CPS1 מופעל, והמסלול “נפתח” לזרימת חנקן.

יצירת N-Acetylglutamate

האנזים N-Acetylglutamate Synthase (NAGS) מוגבר פעילות בנוכחות ארגינין.

הלוגיקה המטבולית (למה זה הגיוני)

מסקנה: אנחנו לא מנסים כאן “לעצור” מסלול, אלא להאיץ סילוק רעל.

כשעולה פירוק חלבונים ← עולה ייצור אמוניה ← צריך להפעיל מהר את מעגל האוריאה.

מוטציות במעגל האוריאה (Urea Cycle Disorders)

פגיעה באחד מאנזימי המסלול עלולה להוביל ל-היפראמונמיה (Hyperammonemia) - מצב מסכן חיים.

עקרונות טיפול כלליים (ברמה קלינית):

• הפחתת עומס חנקן באמצעות התאמת תזונה (לרוב הפחתת חלבון תחת פיקוח).
• במצבים חריפים משתמשים גם באמצעים להפחתת אמוניה במהירות (תלוי חומרה והנחיות רפואיות).

פירוק חומצות אמינו - סיכום מארגן

לכל חומצת אמינו נתיב פירוק ייחודי, אך בסופו של דבר רוב הנתיבים “מתכנסים” לתוצרים שנכנסים למטבוליזם המרכזי (TCA/$\ce{Acetyl-CoA}$/קטונים).

נהוג לסווג חומצות אמינו ל:

הערה: יש חומצות אמינו שהן גם קטוגניות וגם גלוקוגניות.

אחרי שסגרנו איך הגוף מפנה חנקן (אוריאה) ואיפה שלדי הפחמן נכנסים למטבוליזם, עוברים עכשיו לשלב שבו מפיקים את רוב ה־ATP: נשימה תאית (ETC/OxPhos).

נשימה תאית (Cellular Respiration)

כעת עוברים לשלב הסופי של הפקת אנרגיה: שרשרת הובלת אלקטרונים (Electron Transport Chain, ETC) ו-זרחון חמצוני (Oxidative Phosphorylation).

מבט-על מטבולי

גליקוליזה / חמצון חומצות שומן / פירוק חומצות אמינו
                      ↓
                  Acetyl-CoA
                      ↓
                  מעגל קרבס
                      ↓
            נשאי אלקטרונים (NADH, FADH₂)
                      ↓
             שרשרת הובלת אלקטרונים
                      ↓
                  ATP Synthase
                      ↓
                     ATP

המטרה היא לנצל את האנרגיה האצורה ב-NADH ו-FADH2 כדי:

1. להעביר אלקטרונים דרך קומפלקסים בממברנה הפנימית,
2. לשאוב פרוטונים וליצור מפל פרוטונים,
3. ולהשתמש במפל הזה כדי להניע את ATP Synthase ליצירת ATP, תוך חיזור חמצן למים.

התיאוריה הכימואוסמוטית (The Chemiosmotic Theory)

רקע היסטורי קצר

עד תחילת שנות ה-60:

• זיהו את הקומפלקסים ואת מעבר האלקטרונים,
• אך המנגנון שמחבר זאת ליצירת ATP לא היה ברור.

התובנה המרכזית (Peter Mitchell)

פיטר מיטשל הציע שהכוח המניע ליצירת ATP הוא הפרש פוטנציאל אלקטרוכימי של פרוטונים בין שני צידי הממברנה הפנימית (Proton Motive Force).

• הרעיון היה שנוי במחלוקת בתחילה,
• והוא זכה על כך בפרס נובל בשנת 1978.

מבנה המיטוכונדריה

שתי ממברנות

מדורים עיקריים

• Intermembrane Space (P-side) - מצטברים בו פרוטונים.
• Matrix (N-side) - בו מתקיימים TCA, β-Oxidation, PDH ועוד.
• Cristae - קיפולי הממברנה הפנימית שמגדילים שטח פנים לקומפלקסים.

דינמיות המיטוכונדריה

המיטוכונדריה עוברת Fusion/Fission בהתאם לצרכים ולמצבי עקה, וברקמות עתירות אנרגיה (לב/שריר/מוח) יש לרוב צפיפות מיטוכונדריות גבוהה ותכולת קומפלקסים רבה.

נשאי אלקטרונים ב-ETC

סוגי נשאים מרכזיים

הבהרות קצרות:

• $\ce{NADH}$ מוסר הידריד (שני אלקטרונים) ל-FMN בקומפלקס I.
• FAD/FMN יכולים לעבוד במעבר של אלקטרון אחד (Radical/ Semiquinone) או שניים.
• $\ce{CoQ}$ נע חופשי בממברנה בין קומפלקסים ($\ce{Q <=> QH2}$).
• Cytochrome c הוא נשא מסיס במרווח הבין-ממברנלי ונושא אלקטרון אחד בכל פעם.

פוטנציאל חיזור (Reduction Potential)

פוטנציאל חיזור משקף את הנטייה לקבל אלקטרונים:

• אלקטרונים נעים מערכים נמוכים לערכים גבוהים.
• זה יוצר מעבר אלקטרונים ספונטני לאורך השרשרת.

NADH (≈ -0.32V) → Complex I → Q → Complex III → Cyt c → Complex IV → O₂ (≈ +0.82V)

הערכים המוצגים הם ערכים סטנדרטיים; בתא הערכים תלויים גם בריכוזים ובמצב הפיזיולוגי.

ארבעת הקומפלקסים של שרשרת הובלת האלקטרונים

הערה חשובה על ספירת פרוטונים:

לעיתים מציגים נתונים “לשני אלקטרונים” (כלומר פר $\ce{NADH}$ אחד), ולעיתים “לארבעה אלקטרונים” (חיזור מלא של $\ce{O2}$). כאן נציג בצורה עקבית את הספירה המקובלת ל-$\ce{NADH}$ אחד (שני אלקטרונים).

Complex I: NADH Dehydrogenase

מאפייני Complex I

• מבנה בצורת L
• קומפלקס גדול מאוד ($\sim 1,000 \, \mathrm{kDa}$), עם עשרות תת-יחידות
• מכיל FMN ואשכולות ברזל-גופרית

מהלך עקרוני

1. $\ce{NADH}$ מוסר הידריד ל-FMN.
2. האלקטרונים עוברים דרך אשכולות $\ce{Fe-S}$.
3. $\ce{Q}$ (Ubiquinone) מחוזר ל-$\ce{QH2}$ (Ubiquinol), המקבל שני אלקטרונים ו-2 פרוטונים מהמטריקס.
4. במקביל נשאבים $\ce{4H+}$ מהמטריקס למרווח הבין-ממברנלי.

משוואה כללית

מעכבים עיקריים של Complex I

תיקון דיוק: Myxothiazol הוא מעכב של Complex III (אתר Qₒ), לא של Complex I.

Complex II: Succinate Dehydrogenase

מאפייני Complex II

• אנזים “כפול תפקיד”: חלק ממעגל קרבס וגם חלק מה-ETC
• מכיל FAD ואשכולות $\ce{Fe-S}$
• לא שואב פרוטונים

מהלך עקרוני - קומפלקס II

1. $\ce{Succinate}$ מחומצן ל-$\ce{Fumarate}$ (ב-TCA - שלב 6 של מעגל קרבס).
2. $\ce{FAD}$ מחוזר ל-$\ce{FADH2}$.
3. האלקטרונים מועברים ל-$\ce{Q}$ (Ubiquinone) ליצירת $\ce{QH2}$ (Ubiquinol).

משוואה

משמעות אנרגטית: בגלל שאין שאיבת פרוטונים ב-Complex II, אלקטרונים שמקורם ב-$\ce{FADH2}$ תורמים פחות ליצירת מפל פרוטונים לעומת $\ce{NADH}$.

מעגל Q (The Q Cycle)

מעגל Q הוא המנגנון שבו Complex III מעביר אלקטרונים מ-$\ce{QH2}$ ל-Cytochrome c תוך התאמה בין:

• $\ce{QH2}$ שמעביר שני אלקטרונים
• לבין $\ce{Cyt c}$ שמקבל אלקטרון אחד בלבד

שני אתרי קישור ב-Complex III

תוצאה כוללת (עבור 2 אלקטרונים שמועברים לשני $\ce{Cyt c}$)

• משתחררים $\ce{4H+}$ למרווח הבין-ממברנלי
• ונלקחים $\ce{2H+}$ מהמטריקס ליצירת $\ce{QH2}$ מחדש באתר Qᵢ

Complex III: Cytochrome bc₁

מאפייני Complex III

• דימר (שתי יחידות)
• כולל: Cytochrome b (bL, bH), Cytochrome c₁, וחלבון Rieske ($\ce{Fe-S}$)

משוואה כללית - חיזור $\ce{Cyt c}$ על ידי $\ce{QH2}$

Complex IV: Cytochrome c Oxidase

מאפייני Complex IV

• כולל מרכזים מתכתיים: $\ce{Cu_A}$, $\ce{Cu_B}$ וציטוכרומים a, a₃
• בו מתבצע חיזור החמצן למים

משוואה (לחיזור מלא של $\ce{O2}$; ארבעה אלקטרונים)

פירוש פיזיולוגי:

• $\ce{4H+}$ נשאבים החוצה (ל-P-side) עבור 4 אלקטרונים.
• $\ce{4H+}$ נוספים נצרכים במטריקס ליצירת 2 מולקולות מים.
• לכן, “ל-$\ce{NADH}$ אחד” (2 אלקטרונים) מקובל לדבר על $\ce{2H+}$ נשאבים (וגם צריכת פרוטונים ליצירת מים ביחס מתאים).

מעכבים עיקריים של Complex IV

סיכום

המטרה

לבנות מפל פרוטונים (Proton Gradient) בין המטריקס למרווח הבין-ממברנלי, שישמש “מקור אנרגיה” ל-ATP Synthase.

תפוקת שאיבת פרוטונים (ל-$\ce{NADH}$ אחד; שני אלקטרונים)

תפוקת שאיבת פרוטונים (ל-$\ce{FADH2}$ אחד; שני אלקטרונים דרך Complex II)

בשיעור הבא: נשתמש במפל הפרוטונים כדי להבין איך ATP Synthase ממיר אותו ל-$\ce{ATP}$ (זרחון חמצוני בפועל).

שאלות מהתרגול:

שאלות מהתרגול

שאלה 1: עלות אנרגטית של מעגל האוריאה

מה ההשקעה האנרגטית, נטו, שנדרשת בשביל להפוך מולקולה אחת של אמוניום ($\ce{NH4+}$) לאוריאה?

1. 0.5 מולקולה של ATP.
2. מולקולה אחת של ATP.
3. 2 מולקולות של ATP.
4. 3 מולקולות של ATP.
5. 4 מולקולות של ATP.

שאלה 2: שרשרת מעבר האלקטרונים

איזה משפט נכון?

1. קומפלקס מספר III שואב 4 פרוטונים מהמטריקס אל החלל הבין-ממברנאלי.
2. פתיחת תעלת אשלגן בממברנה הפנימית אינה משפיעה על קצב יצירת ה-ATP.
3. קומפלקס מספר IV שואב שני פרוטונים מהמטריקס.
4. מתהליך הגליקוליזה (ללא מעגל קרבס) מקבלים שתי מולקולות של מים.

שאלה 3: ההבדל בין קומפלקס I לקומפלקס II

מה ההבדל העיקרי בין קומפלקס I וקומפלקס II בשרשרת מעבר האלקטרונים?

1. קומפלקס I מעביר פרוטונים לחלל הבין-ממברנלי, בעוד קומפלקס II אינו עושה זאת.
2. קומפלקס I מקבל אלקטרונים מ-$\ce{FADH2}$, בעוד קומפלקס II מקבל אלקטרונים מ-$\ce{NADH}$.
3. קומפלקס I פועל במיטוכונדריה, בעוד קומפלקס II פועל בציטופלסמה.
4. קומפלקס I קשור לסינתזת ATP, בעוד קומפלקס II אינו קשור לכך.

שאלה 4: גורמים המשפיעים על ריכוז פרוטונים

איזה מהגורמים הבאים משפיע, באופן ישיר, על ריכוז הפרוטונים בחלל הבין-ממברנלי?

1. ריכוז הגלוקוז בתא.
2. ריכוז ה-ATP בתא.
3. קצב זרימת האלקטרונים בשרשרת מעבר האלקטרונים.
4. ריכוז ה-CoQ10.

שאלה 5: משאבות פרוטונים

איזה מהקומפלקסים בשרשרת מעבר האלקטרונים משמש כמשאבת פרוטונים?

1. קומפלקס I, II, III ו-IV.
2. קומפלקס I, III ו-IV.
3. קומפלקס II ו-IV.
4. קומפלקס I ו-II.

שאלה 6: תפקיד ציטוכרום C

איזה מהבאים הוא התפקיד המרכזי של ציטוכרום C בשרשרת מעבר האלקטרונים?

1. העברת פרוטונים.
2. העברת אלקטרונים בין קומפלקס III לקומפלקס IV.
3. העברת אלקטרונים בין $\ce{NADH}$ ל-$\ce{FADH2}$.
4. קיבוע חמצן למים.

שאלה 7: מוטציה ביחידת γ של ATP Synthase

אם מתרחשת מוטציה בתת-היחידה γ, כיצד זה ישפיע על הפעילות של ATP Synthase?

1. המוטציה לא תשפיע על הפעילות של ATP Synthase.
2. קצב יצירת ה-ATP יעלה.
3. הפעילות של ATP Synthase תופסק.
4. אי אפשר לדעת.