מעגל קרבס / מעגל חומצת הלימון:
למטאבוליזם 3 כניסות עיקריות: שומנים, חלבונים, סוכרים. בשלב שני המסלולים מתחברים בצומת אחת שבאמצעה עומד אצטיל CoA. ומהצומת לא ניתן לדעת מהיכן הגיע האצטיל ל- CoA. בשלב השלישי- השלב האירובי. מכונת עיבוד של אצטיל CoA הוא מעגל קרבס. CoA הוא קופקטור שתפקידו לשפעל קב' המחוברת אליו- הכי נפוצה אצטיל. שפעול=עלייה באנרגיה חופשית. השלב של כניסת פירובט למעגל קרבס ומעגל קרבס נמצאים במיטוכונדריה- במטריקס.
מעגל זה הוא קטבולי ואנאבולי. תפקידו לייצר נשאי אלקטרונים. בתאים אאוקריוטים, מעגל קרבס נמצא במיטוכונדריה והגליקוליזה בציטוזול. הקשר בין הגליקוליזה למעגל קרבס הוא דקרבוקסילציה אוקסידטיבית של פירובט ( מועבר למיטוכונדריה ע"י אנטיפורטר) המתרחשת בתוך המטריקס: תהליך בלתי הפיך המזורז ע"י הקומפלכס פירובט דהידרוגנאז. תג' נטו של המעגל: במעגל קרבס מתרחשות 4 תגובות חמצון-חיזור. ריכוז אוקסלואצטט לא משתנה במהלך התג', כמו כן אצטיל CoA. במהלך התג' רק אצטיל CoA מתחמצן ל-CO2 וכל שאר החומרים מתמחזרים. שני אטומי הפחמן העוזבים את המעגל שונים מאלו שנכנסו אלי- נכנסו מקב' האצטיל ויצאו בתור CO2. 4 זוגות אטומי מימן עוזבים את המעגל ב-4 תג' חמצון.2 מולקולות NAD+ מחוזרות בדקרבוקסילציות האוקסידטיביות של איזוציטרט ו-α קטוגלוטרט. מולקולת FAD מחוזרת בחמצון סוקצינאט ומולקולת NAD+ אחת מחוזרת בחמצון מאלאט. חמצן- מקבל אלקטרונים אולטימטיבי. מעגל קרבס זהו תהליך אאירובי בלבד וזאת כיוון ש-NAD+ ו-FAD יכולים להיווצר במיטוכונדריה רק דרך מעבר אלקטרונים לחמצן מולקולרי. שלב 1: אוקסלואצטט (4 פחמנים), אצטיל CoA (2 פחמנים) ומים מגיבים ליצירת ציטרט (6 פחמנים) ו-CoA. ציטרט סינתאז: אוקסלואצטט מגיב תחילה עם אצטיל CoA ליצירת ציטריל CoA מבנה ביניים תיאואסטרי בעל אנרגיה גבוהה ולכן הידרוליזה זו מושכת את התג' לכיוון סינתזת ציטרט וCoA.. שלב 2: ציטרט עובר איזומריזציה לאיזוציטרט. האיזומריזציה מתרחשת על מנת לאפשר לציטרט לעבור דקרבוקסילציה אוקסידטיבית. היא מתרחשת ע"י שלב דהידרציה ואחריו הידרציה, בעצם יש החלפה פנימית של H+ ו-OH-. שני שלבים אלו מזורזים ע"י אקוניטאז אנזים ברזל-גפרית. שלב 3: איזוציטראט מגיב עם NAD+ לקבלת α-קטוגלוטראט, CO2 ו-NADH. שלב חמצון חיזור ראשון. אוקסלוסוקצינט הוא חומר ביניים בתג' זו. האנזים המזרז ריאקציה זו הוא איזוציטרט דהידרוגנאז. שלב 4: α-קטוגלוטראט מגיב עם NAD+ ו-CoA בתג' דקרבוקסילציה אוקסידטיבית שנייה לקבלת סוקציניל CoA, CO2 ו-NADH. תג' זו מזורזת ע"י האנזים α-קטוגלוטראט דהידרוגנאז (הומולוגי לפירובט דהידרוגנאז, אותו מכניזם). שלב 5: סוקציניל CoA מגיב עם Pi ו-GDP לקבלת סוקצינאט, GTP ו-CoA (תג' שוו"מ). סוקציניל CoA הוא תרכובת תיואסטרית עתירת אנרגיה. חיתוך הקשר האסטרי של תרכובת זו מצומד לפוספורילציה של GDP. זהו השלב היחיד במעגל אשר מפיק באופן ישיר קשר פוספטי עתיר אנרגיה. התגובה מזורזת ע"י
סוקציניל CoA סינתאז - הטרודימר α2β2שלב 1 בתג' החלפה של CoA ב-Pi ויצירת מבנה ביניים בעל פוטנציאל אנרגיה גבוה סוקציניל-פוספט, שייר היסטידין מתת יחידה α מסיר את קב' הפוספוריל ויוצר סוקצינט ופוספוהיסטידין, שייר הפוספוהיסטידין מתנדנד לעבר GDP הקשור בתת יחידה β וקב' הפוספוריל מועברת ליצירת GTP .
שלב 6: אוקסלואצטט נוצר מחדש ע"י חמצון סוקצינאט. סוקצינאט מותמר לאוקסלואצטט ב-3 צעדים: 1)שלב חמצון בו סוקצינאט הופך לפומראט. FAD מקבל 2 מימנים בשלב זה כיוון ששינוי האנרגיה החופשית אינו מספיק לחזר NAD+. מזורזת ע"י סוקצינאט דהידרוגנאז.חלבון ברזל-גפרית, מעוגן ישירות לממברנה פנימית במיטוכונדריה ומשתתף ישירות בשרשרת העברת e, FAD קב, פרוסטטית לא עוזב את האנזים 2) שלב הידרציה בו פומראט הופל ל- L-מאלאט. האנזים הוא פומראז- מזרז תוספת טרנס סטראוספציפית של H ו-OH. 3) שלב חמצון נוסף בו L-מלאט ו-NAD+ מגיבים לקבלת אוקסלואצטט, NADH ו- H+ (תג' שוו"מ) ריאקציה יחידה בעלת אנרגיה חופשית חיובית במעגל החמצון קורה עקב העלמות התוצרים. תגובה זו מזורזת ע"י מלאט דהידרוגנאז. NAD+ הוא שוב פעם מקבל האלקטרונים. NADH ו-FADH2 עוברים לממברנה הפנימית של המיטוכונדריה ושם מתחמצנים ע"י O2. תוך כדי חמצון יש צימוד לזרחון. התוצרים העיקריים של מעגל קרבס: 8 אלקטרונים. קרבוקסילציה של פירובט: תג' המזורזת ע"י פירובט קרבוקסילאז. פירובט עובר לאוקסלואצטט, משמעות- חידוש מעגל קרבס.
פירובט דהידרוגנאז. זהו קומפלכס המורכב מ-3 סוגי אנזימים:E1, E2, E3 ו-5 קואנזימים :תיאמין פירופוספט (TPP), ליפואמיד ,FAD -CoA ו-NAD +. קיימים 4שלבים בהמרת פירובט לאצטיל CoA: 1) פירובט ו-TPP מגיבים לקבלת hydroxyethyl-TPP ן-CO2. תג' זו מזורזת ע"י E1. טבעת טיאזול של TPP (ב-E1) הינה טבעת חומצית ולכן יוצרת קרבאניון אשר מצרף ברצון קב, קרבוניל של פירובט. הוספה זו מלווה בדקרבוקסילציה של פירובט ומתקבל הידרוקסיאתיל-TPP. 2) קב' ההידרוקסיל המחוברת ל-TPP מחומצנת ליצירת קב' אצטיל ומועברת לליפואמיד. המחמצן הוא קב' הסולפיד של ליפואמיד אשר מומרת לצורת סולפהידריל. מזורזת ע"י E1 ונוצר אצטיל ליפואמיד. 3) קב' האצטיל מועברת ל-CoA ליצירת אצטיל CoA.
דהידרוליפויל טרנסאצטילאז (E2) מזרז תג' זו. 4) הצורה המחומצנת של ליפואמיד נוצרת מחדש ע"י דהידרוליפויל דהידרוגנאז (E3). 2 אלקטרונים מועברים ל- FAD (קב' פרוסטטית של האנזים) ואז ל-NAD+. הקומפלכס פירובט דהידרוגנאז גדול מריבוזום, מסתו ~5000kDa. מורכב מ-3 אנזימים שהאינטגרציה שלהם מאפשרת קטליזת ריאקציה מורכבת. קומפלכס זה הומולוגי ל- α-קטוגלוטראט דהידרוגנאז. בקרה קוולנטית פוספורילציה של E1 בקומפלכס ע"י קינאז ספציפי מפסיקה את פעילות הקומפלכס, הפעלה מחודשת מושגת ע"י פוספטאז ספציפי. הגברת היחסים: NADH/NAD+, CoA/acetylCoA, ATP/ADP מקדמת פוספורילציה וכך גם את הפסקת פעילות הקומפלכס. פירובט ןADP משפעלים את ההידרוגנאז ע"י עיכוב הקינאז, בעוד ש-Ca2+ עושה זאת ע"י שפעול הפוספטאז. פירובאט דהידרוגנאז "מכובה" כאשר יש הרבה תוצרי ביניים והאנרגיה גבוהה. אינסולין- מאיץ את המרת פירובט לאצטיל CoA ע"י המרצת דפוספורילציה של הקומפלכס.
בקרה אלוסטרית של האנזים: הקומפלכס- ATPמעכב ןAMP משפעל. E2- אצטיל CoA מעכב וCoA משפעל. E3- NADH מעכב ו-NAD+ משפעל.
בקרה של המעגל: שלב בקרה חשוב בבקטריה- סינתזת ציטרט מאוקסלואצטט ואצטיל CoA. ATP מעכב אלוסטרי של ציטרט סינתאז. שלב בקרה נוסף- איזוציטרט דהידרוגנאז הוא אנזים המשופעל אלוסטרית ע"י ADP (מגדיל זיקה לסובסטרט). קשירת איזוציטרט, NAD+, Mg2+ ו-ADP קואופרטיביות באופן הדדי. בניגוד NADH מעכב איזוציטרט דהידרוגנאז ע"י החלפת NAD+ באופן ישיר. ATP מעכב. NAD+ ו-FAD זמינים רק כאשר האנרגיה נמוכה. שלב בקרה שלישי- α-קטוגלוטראט דהידרוגנאז, סוקציניל CoA ו-NADH מעכבים- תוצרי התג' המזורזת ע"י האנזים. כמו כן מעוכב ע"י רמת אנרגיה גבוהה. כאשר רמת האנרגיה בתא גבוהה, קצב המעגל פוחת וכמו כן מעבר דוגמאות של 2 פחמנים למעגל (הבאים מאצטיל CoA). *תג' נוספת שיכולה ליצור אוקסלואצטט מפירובט- גלוקונאוגנזה!
מחלת ברי ברי: נגרמת מחוסר בתיאמין- ויטמין B1. הגוף לא יכול לסנתז ויטמינים. מחלה זו גורמת לחוסר תפקוד של הקומפלכס, חוסר יכולת ליצור אנרגיה. העצבים נפגעים ממחלה זו.
ציטרט סינתאז: דימר 2 תת יחידות זהות כל אחת 49KD. במהלך הקטליזה האנזים עובר שינויים קונפורמציוניים מהותיים. תחילה נקשר אוקסלואצטט ואח"כ אצטיל CoA. הסיבה לסדר ההיקשרות- אוקסלואצטט מגדיל התארגנות מבנית גדולה אשר מובילה להיווצרות אתר קשירה לאצטיל CoA ומונע הידרוליזה של אצטיל CoA. *אנזים אסימטרי אשר תוקף תרכובת סימטרית יכול להבחין בין 2 קב' זהות של אותה התרכובת.
ארסנט: בעל התאמה סטרית לח' ליפוית במצב מחוזר, מחזר וגורם לאנאקטיבציה של הקומפלכס. דומה למחלה ברי ברי.