ציטראט סינתאז

ציטראט סינתאז (Citrate synthase;‏ E.C. 2.3.3.1) הוא אנזים המצוי כמעט בכל התאים החיים,  ומתפקד כאנזים קובע קצב בשלב הראשון של מעגל קרבס. מסלול ביוכימי זה הוא אחד מהמסלולים המרכזיים של תהליך הנשימה התאית, ומשמש ליצירת מולקולות מחוזרות שמשמשות בשרשרת מעבר האלקטרונים של הזרחון החמצוני להפקת כמות גדולה של ATP. בנוסף, מסלול זה הוא מקור לתוצרי ביניים (מטבוליטים) לביוסינתיזה. ציטראט סינתאז ממוקם בתאים אוקריוטיים במטריקס של המיטוכונדריה, אך הוא מקודד על ידי דנ"א גרעיני ולא על ידי הדנ"א המיטוכונדריאלי. סינתזת האנזים מתרחשת על ידי ריבוזומים ציטופלזמיים ולאחר מכן הוא מועבר למטריקס של המיטוכונדריה. אצל בני אדם, האנזים מקודד מהגן gltA המצוי בכרומוזום 12.
קיימים 2 סוגים של ציטראט סינתאז: ציטראט סינתאז המצוי אצל בעלי חיים, צמחים, פטריות, ארכיאה וחיידקים גראם-חיוביים, היוצר דימר של 2 תתי יחידות זהות בעלות מסה מולקולרית כוללת של kDa ‏ 100; לעומתו, ציטראט סינתאז המצוי אצל אצות וחיידקים גראם-שליליים הוא גדול בהרבה ומורכב מ-6 תתי יחידות זהות (כל אחת kDa ‏ 50).

נגזרות אדנין

ציטראט סינתאז מעוכב כאשר קיימים יחסים גדולים של ATP:ADP ו-NADH:⁺NAD.

אלפא קטוגלוטראט

אלפא קטוגלוטראט בריכוזים גבוהים משמש כמעכב תחרותי לאוקסלואצטט ומעכב לא תחרותי לאצטיל קואנזים A.
בסוף שנות ה-60 גילו חוקרים מאוניברסיטת לסטר כי אלפא קטוגלוטראט מהווה מעכב של ציטראט סינתאז אצל משפחת ה-Enterobacteriaceae המשתייכת לקבוצת החיידקים הגראם-שליליים. אצל חיידקים אחרים, הן גראם שליליים והן חיידקים גראם-חיוביים, וכן אצל אורגניזמים עילאיים יותר, לא מצאו החוקרים כי אלפא קטוגלוטראט מעכב. מניתוח התוצאות הם הסיקו כי כל האורגניזמים בהם לא נמצא עיכוב זה, הם אווירניים, ולעומת זאת כל החיידקים בהם נמצא כי אלפא קטוגלטראט מעכב את ציטראט סינתאז הם אל-אווירניים פקולטטיביים (מסוגלים להתקיים הן בנוכחות חמצן והן בהיעדרו). באורגניזמים אלו החיים בתנאים אל-אווירניים ומייצרים אנרגיה (ATP) באמצעות תסיסה, לציטראט סינתאז בכל זאת נודע תפקיד חשוב של ביוסינתיזה, כיוון שאחד התוצרים המתקבלים במעגל קרבס הוא אלפא קטוגלוטקראט. מחקרים קודמים הראו שתחת תנאים אל-אווירניים כעין אלו, המסלול של מעגל קרבס חדל להיות מעגלי ומסתעף לשני סעיפים שונים - בראשון אוקסלואצטט מוביל לאלפא קטוגלטראט דרך תוצרי הביניים ציטראט ואיזוציטראט, ובשני אוקסלואצטט מוביל לסוקצינאט דרך תוצרי הביניים מלאט ופומראט. מכאן הסיקו החוקרים שעיכוב ציטראט סינתאז על ידי אלפא קטוגלטראט בתנאים אלו מהווה למעשה מקרה אופייני של משוב שלילי, בו התוצר הסופי מעכב את האנזים ההתחלתי של המסלול.
בשנים שלאחר מכן נתגלה כי אלפא קטוגלטראט מעכב גם בציטראט סינתאז שהופק מאורגניזמים אחרים, כדוגמת כבד של חולדה, מנגו ומחיידקים מסוג Azotobacter הגראם שליליים והאירוביים; דבר זה כמובן אינו עומד בקנה אחד עם ההשערה הראשונית. קבוצת חוקרים בראשותו של פיטר הוצ'צ'קה מאוניברסיטת קולומביה הבריטית, שחקרו את ציטראט סינתאז המופק מהמין Symplectoteuthis oualaniensis המשתייך לסדרת דיונוני הרחף, גילו כי הוא מעוכב בריכוז גבוה של אלפא קטוגלטראט. הם טענו כי אלפא קטוגלטראט מסמל את ה"תוצר הסופי" של האינטרוול הראשון של מעגל קרבס, וריכוזו מהווה אמת מידה פוטנציאלית חשובה לכמות התוצרים שיתקבלו באינטרוול השני של מעגל קרבס (אלפא קטוגלטראט -> אוקסלואצטט). ה"מידע" הזה, החשוב לבקרת פעילות ציטראט סינתאז, לא היה יכול להתקבל מאף תוצר ביניים אחר הקודם לאלפא קטוגלטראט באינטרוול הראשון של המעגל, מכיוון שאלפא קטוגלטראט הוא הראשון מביניהם שיכול להתקבל גם במסלולים אחרים מלבד מעגל קרבס (למשל דרך גלוטמט ובאמצעות תגובת טרנסאמינציה).
באופן זה ניתן להסביר מדוע אלפא קטוגלטראט מעכב את ציטראט סינתאז הן באורגניזמים בהם מעגל קרבס מתרחש בצורתו הרגילה והן באורגניזמים בהם מעגל קרבס הוא ליניארי; וכן להעריך את תפקידו בבקרת ציטראט סינתאז ובכניסת הפחמנים למעגל קרבס.

אפקט יוני

אמנם לפעילותו של ציטראט סינתאז לא דרוש אף יון ספציפי, אך היא מושפעת באופנים שונים הן מיונים חד ערכיים והן מיונים דו ערכיים.
באשר ליונים חד ערכיים, נמצא כי כאשר הללו קיימים בריכוז מסוים אצל צמחים ויונקים מסוימים, וכן אצל חיידקים גראם שליליים וגראם חיוביים, גורמים לאקטיבציה של ציטראט סינתא, ומריכוז זה ומעלה - לעיכוב. KCL, למשל, נמצא גורם לאקטיבציה אצל מינים מסוימים כאשר היה בריכוז של 0 עד 60 מילי-מולר, אך מעבר לכך גרם לעיכוב של ציטראט סינתאז. מחקרים הראו כי ההשפעתם של יונים חד ערכיים לא נובעת מזהות יון זה או אחר אלא מהחוזק היוני שהם יוצרים, וכי הם גורמים לשינויים בזיקה של ציטראט סינתאז לאצטיל קואנזים A; לעומת זאת, מהירות הריאקציה המקסימלית (Vₘₐₓ) וקבוע מיכאליס-מנטן (Kₘ) עבור אוקסלואצטט נותרים ללא שינוי. שינויים קינטיים אלו מתרחשים בגלל שינויים קונפורמציונליים להם גורם המלח.
קיימת וריאביליות בעמידות של ציטראט סינתאז לריכוזי יונים שונים בין מינים שונים; למשל, כאשר חוקרים מאוניברסיטת טקסס השוו בין שושנת ים מהמין Bunodosoma cavernata האוסמורגלוטורית ובין פראון  מהמין Litopenaeus setiferus שאינו אוסמורגולטורי, נמצא כי לציטראט סינתאז של שושנת הים עמידות גדולה בהרבה למלחים מאשר זו של הפראון; החוקרים קישרו את התוצאות המסקרנות הללו ליכולת התנועה של היצורים - בעוד הפראון הוא נייד ויכול לבחור את הסביבה היונית בה ישהה כך שריכוז המלחים לא יזיק לו, שושנת הים הנה נייחת ובעלת אפשרות מעטה לשנות את הסביבה היונית בה נמצאת, ועל כן העמידות של ציטראט סינתאז למלחים מסייעת לשרידותה.
גם ליונים דו ערכיים קיימת השפעה רבה על ציטראט סינתאז. נמצא כי ריכוזים גבוהים של יוני מנגן (Mn²⁺), מגנזיום (Mg²⁺) וסידן (Ca²⁺) מעכבים את פעילותו של ציטראט סינתאז המופק מלב של חזיר. מחקרים אחרים מצאו כי ציטראט סינתאז של מספר מינים של חיידקים גם כן עוכבו בריכוז גבוה של מגנזיום; ייתכן והעיכוב מתרחש בגלל אינטראקציות הנוצרות בין היונים הדו ערכיים לבין השרשרת הפולי-פוספטית של האצטיל קואנזים A. 
מאידך, נמצא גם כי ריכוזים נמוכים של יוני מגנזיום דו ערכיים גורמים להמרצה (סטימיולציה) של ציטראט סינתאז במספר מינים שונים שנחקרו, בהם E. coli, שמרים וחזיר, וזאת על אף שלפעילותו, כאמור, לא דרוש אף יון ספציפי. ההסבר לכך הוא שיוני המגנזיום נקשרים לאוקסלואצטט ויוצרים קומפלקס, ודבר זה גורם לפחמן אלפא של האוקסלואצטט להיות יותר אלקטרופילי ועל כן קל יותר חיזור. אם כן, המתקפה הנוקליאופילית על פחמן אלפא של אוקסלואצטט המתרחשת בשלב הדחיסה וגורמת לחיזור של קבוצת הקטו, מסתייעת ביוני המגנזיום.