חזרה - מעגל האוראה
בשיעור הקודם דיברנו על מעגל האוראה (Urea Cycle), המסלול המרכזי שבו הגוף מסלק עודפי חנקן על-ידי המרת אמוניה ($\ce{NH3}$) / אמוניום ($\ce{NH4+}$) (רעילה) ל-אוראה ($\ce{(NH2)2CO}$) (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:
- אלנין - נשא מרכזי של חנקן מהשריר לכבד.
- גלוטמט - “מרכז טרנסאמינציה”; אוסף קבוצות אמינו מחומצות אמינו רבות.
- גלוטמין - נשא לא-רעיל של אמוניה מרקמות פריפריאליות.
- אספרטט - תורם את אטום החנקן השני שנכנס למעגל האוראה (בשלב יצירת ארגינינוסוקצינאט).
נקודה חשובה: מעגל האוראה מתרחש בשני מדורים תאיים:
- במיטוכונדריה: שני שלבים ראשונים (CPS1, OTC).
- בציטוזול: שלושה שלבים הבאים (ASS1, ASL, Arginase).
כלומר, מעגל האוראה הוא מסלול של חמישה שלבים אנזימטיים, ולא “ארבעה שלבים”.
הקשר בין מעגל קרבס למעגל האוראה
The Citric Acid and Urea Cycles Can Be Linked
קיים חיבור מטבולי הדוק בין מעגל האוראה למעגל קרבס, דרך מעקף אספרטט-ארגינינוסוקצינאט (Aspartate-Argininosuccinate Shunt).
מנגנון הקישור
- במיטוכונדריה נוצר ציטרולין (Citrulline), והוא מועבר לציטוזול.
- בציטוזול האנזים Argininosuccinate Synthetase (ASS1) מחבר ציטרולין עם אספרטט (בצריכת $\ce{ATP}$) ליצירת Argininosuccinate.
- האנזים Argininosuccinate Lyase (ASL) מפרק ארגינינוסוקצינאט ל-ארגינין ול-פומראט (Fumarate).
- ה-פומראט יכול להפוך ל-מלאט ואז ל-אוקסלואצטט (OAA), וכך “נכנס” למעגל קרבס.
- מאוקסלואצטט ניתן לייצר שוב אספרטט (באמצעות טרנסאמינציה) שמוזן חזרה למעגל האוראה.
המשמעות הפיזיולוגית
חשוב: המעקף יוצר זרימה דו-כיוונית של תוצרי ביניים בין המעגלים:
- מעגל האוראה משתלב במטבוליזם האנרגטי (TCA), ולא פועל כנתיב “מנותק”.
- נוצרת שמירה על מאזן תוצרי-הביניים: פומראט שמיוצר באוראה יכול לתמוך במעגל קרבס, ואספרטט שמגיע מה-TCA מספק את החנקן השני לאוראה.
בקרה על מעגל האוראה
בקרת מעגל האוראה 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 האוראה 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
\[\ce{Acetyl-CoA + Glutamate ->[N-Acetylglutamate Synthase] N-Acetylglutamate + CoA}\]האנזים N-Acetylglutamate Synthase (NAGS) מוגבר פעילות בנוכחות ארגינין.
הלוגיקה המטבולית (למה זה הגיוני)
| מולקולה | מה היא “מסמנת” |
|---|---|
| גלוטמט | עומס קבוצות אמינו (טרנסאמינציות) ← נטייה ליצירת אמוניה |
| $\ce{Acetyl-CoA}$ | מצב קטבולי/זרימת פירוק גבוהה |
| ארגינין | תוצר במסלול עצמו; מצביע על פעילות/זרימה במעגל |
מסקנה: כאן אנחנו לא “מנסים לעצור” מסלול, אלא להאיץ סילוק רעל.
כשעולה פירוק חלבונים ← עולה ייצור אמוניה ← צריך להפעיל מהר את מעגל האוראה.
מוטציות במעגל האוראה (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:
| קטגוריה | משמעות |
|---|---|
| קטוגניות (Ketogenic) | מתפרקות ל-$\ce{Acetyl-CoA}$ או לגופי קטו → אינן יכולות להפוך נטו לגלוקוז |
| גלוקוגניות (Glucogenic) | מתפרקות לתוצרים שיכולים להזין גלוקונאוגנזה (למשל דרך OAA, α-KG, $\ce{Succ-CoA}$ וכד’) |
הערה: יש חומצות אמינו שהן גם קטוגניות וגם גלוקוגניות.
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-$\ce{NADH}$ ו-$\ce{FADH2}$ כדי:
- להעביר אלקטרונים דרך קומפלקסים בממברנה הפנימית,
- לשאוב פרוטונים וליצור מפל פרוטונים,
- ולהשתמש במפל הזה כדי להניע את ATP Synthase ליצירת $\ce{ATP}$, תוך חיזור חמצן ל-מים.
התיאוריה הכימיאוסמוטית (The Chemiosmotic Theory)
רקע היסטורי קצר
עד תחילת שנות ה-60:
- זיהו את הקומפלקסים ואת מעבר האלקטרונים,
- אך המנגנון שמחבר זאת ליצירת $\ce{ATP}$ לא היה ברור.
התובנה המרכזית (Peter Mitchell)
פיטר מיטשל הציע שהכוח המניע ליצירת $\ce{ATP}$ 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
| ממברנה | תכונות עיקריות | מה נמצא עליה/בה |
|---|---|---|
| חיצונית | חדירה יחסית (Porins/VDAC מאפשרים מעבר מולקולות קטנות עד ~5 kDa) | - |
| פנימית | כמעט לא חדירה; מעבר מתווך טרנספורטרים | קומפלקסי ה-ETC, ATP Synthase, נשאים (Translocases) |
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
| נשא | תיאור | מספר אלקטרונים |
|---|---|---|
| $\ce{NAD+}$/$\ce{NADH}$ | נגזרת ניקוטינאמיד | 2 (כהידריד) |
| Flavoproteins (FMN/FAD) | נגזרות ויטמין B₂ | 1 או 2 |
| Ubiquinone ($\ce{CoQ}$) | ליפופילי, נייד בממברנה | 1 או 2 |
| Cytochromes (a, b, c) | Heme עם $\ce{Fe}$ | 1 |
| Iron-Sulfur Centers | אשכולות $\ce{Fe-S}$ | 1 |
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).
| קומפלקס | שם | מעבר אלקטרונים | פרוטונים נשאבים (ל-$\ce{2e-}$) |
|---|---|---|---|
| I | NADH Dehydrogenase | $\ce{NADH -> Q}$ | 4 $\ce{H+}$ |
| II | Succinate Dehydrogenase | $\ce{Succinate -> Q}$ | 0 |
| III | Cytochrome bc₁ | $\ce{QH2 -> Cyt c}$ | 4 $\ce{H+}$ |
| IV | Cytochrome c Oxidase | $\ce{Cyt c -> O2}$ | 2 $\ce{H+}$ (ונצרכים גם פרוטונים ליצירת מים) |
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
- $\ce{NADH}$ מוסר הידריד ל-FMN.
- האלקטרונים עוברים דרך אשכולות $\ce{Fe-S}$.
- $\ce{Q}$ מחוזר ל-$\ce{QH2}$.
- במקביל נשאבים ארבעה $\ce{H+}$ מהמטריקס למרווח הבין-ממברנלי.
משוואה כללית
\[\ce{NADH + H+ + Q + 4H+_{N} -> NAD+ + QH2 + 4H+_{P}}\]מעכבים עיקריים של Complex I
| מעכב | השפעה |
|---|---|
| Rotenone | חסימת העברת אלקטרונים ל-$\ce{Q}$ |
| Amytal | חסימה דומה |
| Piericidin A | חסימה דומה |
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
- $\ce{Succinate}$ מחומצן ל-$\ce{Fumarate}$ (ב-TCA).
- $\ce{FAD}$ מחוזר ל-$\ce{FADH2}$.
- האלקטרונים מועברים ל-$\ce{Q}$ ליצירת $\ce{QH2}$.
משוואה
\[\ce{Succinate + Q -> Fumarate + QH2}\]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
| אתר | נקשר אליו | תפקיד |
|---|---|---|
| Qₒ (חיצוני) | $\ce{QH2}$ | חמצון $\ce{QH2}$ ושחרור פרוטונים לצד P |
| Qᵢ (פנימי) | $\ce{Q}$ | חיזור הדרגתי דרך semiquinone |
תוצאה כוללת (עבור 2 אלקטרונים שמועברים לשני $\ce{Cyt c}$)
- משתחררים ארבעה $\ce{H+}$ למרווח הבין-ממברנלי
- ונלקחים שני $\ce{H+}$ 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
\[\ce{QH2 + 2Cyt c_{ox} + 2H+_{N} -> Q + 2Cyt c_{red} + 4H+_{P}}\]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 $\ce{O2}$; 4 אלקטרונים)
\[\ce{4Cyt c_{red} + 8H+_{N} + O2 -> 4Cyt c_{ox} + 2H2O + 4H+_{P}}\]פירוש פיזיולוגי:
- 4 $\ce{H+}$ נשאבים החוצה (ל-P-side) עבור 4 אלקטרונים.
- 4 $\ce{H+}$ נוספים נצרכים במטריקס ליצירת 2 מולקולות מים.
- לכן, “ל-$\ce{NADH}$ אחד” (2 אלקטרונים) מקובל לדבר על 2 $\ce{H+}$ נשאבים (וגם צריכת פרוטונים ליצירת מים ביחס מתאים).
מעכבים עיקריים של Complex IV
| מעכב | מנגנון |
|---|---|
| $\ce{CN-}$ (Cyanide) | קישור למרכז ההמי וחסימת חיזור $\ce{O2}$ |
| $\ce{CO}$ (Carbon Monoxide) | קישור למרכז ההמי בתצורתו המחוזרת וחסימה |
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)
| קומפלקס | $\ce{H+}$ נשאבים |
|---|---|
| Complex I | 4 |
| Complex III | 4 |
| Complex IV | 2 |
| סה״כ | 10 $\ce{H+}$ |
תפוקת שאיבת פרוטונים (ל-$\ce{FADH2}$ אחד; שני אלקטרונים דרך Complex II)
| קומפלקס | $\ce{H+}$ נשאבים |
|---|---|
| Complex II | 0 |
| Complex III | 4 |
| Complex IV | 2 |
| סה״כ | 6 $\ce{H+}$ |
דור פסקלבשיעור הבא: נשתמש במפל הפרוטונים כדי להבין איך ATP Synthase ממיר אותו ל-$\ce{ATP}$ (זרחון חמצוני בפועל).