מעגל קרבס

מעגל קרבס (באנגלית: Krebs cycle) הוא מסלול מטבולי המשמש להפקת אנרגיה מתרכובות אורגניות ביצורים חיים.
למעגל קרבס, הקרוי על שם הביוכימאי היהודי-גרמני הנס אדולף קרבס, שלל שמות נוספים: מעגל חומצת הלימון, מעגל החומצה הציטרית, מעגל החומצות הטריקרבוקסיליות (או בקיצור: מעגל TCA) ומעגל קרבס-סנט-גיירגי.

חשיבות המסלול

ביצורים אווירניים מהווה מעגל קרבס את השלב השני מתוך שלושה בתהליך הנשימה התאית. לפני המעגל מתרחשת הגליקוליזה; התוצר שלה, פירובט, הופך לאצטיל קואנזים A, אשר מהווה את תחילתו של מעגל קרבס. התוצרים של המעגל הם 2 מולקולות ATP וכן שני קואנזימים מחוזרים (כלומר - נושאי אלקטרונים עודפים; מקורם של האלקטרונים באצטיל קואנזים A אשר מפורק בַמעגל); שני אלו - NADH ו-FADH2 - עוברים לשלב השלישי של הנשימה, הזרחון החמצוני, שם הם תורמים את האלקטרונים שלהם לחמצן. מעבר האלקטרונים מהמזון (ראשיתו של תהליך הנשימה התאית) אל החמצן (סופו של תהליך הנשימה התאית) מלווה בפליטת אנרגיה, אותה מסוגל התא לנצל בשלב מאוחר יותר.
מעגל קרבס מתרחש במטריקס של המיטוכונדריה ביצורים אוקריוטיים ובציטופלזמה ביצורים פרוקריוטיים (חיידקים).

הכנה למעגל קרבס: מפירובט לאצטיל קואנזים A

החומר ההתחלתי שנכנס למעגל קרבס הוא אצטיל קואנזים A; החומר הסופי בתהליך הגליקוליזה, לעומת זאת, הוא פירובט. לפני מעגל קרבס מתרחשת לפיכך המרה של השני לראשון.
קואנזים A, מולקולה ארוכה הנגזרת מ-ATP ומוויטמין B5, משמש בסך הכול כנשא של קבוצת האצטיל (CH₃C=O), והוא אינו משתתף בתגובה כלשהי. האצטיל לבדו אינו נוטה להגיב עם תרכובות אחרות, והיותו מחובר לקואנזים A גורמת ל"הפעלתו". האתר הפעיל של קואנזים A נמצא בקצה המולקולה; זוהי קבוצת תיול (סולפהידריל, אטום גופרית הקשור לאטום מימן: SH). קבוצת התיול נוטה לאבד את אטום המימן ולהתרכב עם אצטיל; תכונה זו משמשת לא רק במעגל קרבס, אלא גם בעשרות מסלולים מטבוליים אחרים בתא.
הקבוצה שאכן מגיבה במעגל קרבס היא לפיכך אצטיל. פירובט מכיל שלושה אטומי פחמן, ואילו אצטיל - שני אטומי פחמן. בצעד המקדים למעגל קרבס נפטר הפירובט מאטום פחמן אחד ומשני אטומי חמצן; התוצר הוא אצטיל ופחמן דו-חמצני. כאן מתרחשת, אם כן, הפליטה הראשונה של פחמן דו-חמצני (בבעלי חיים מפותחים: אל מחזור הדם ומשם אל הריאות והחוצה אל האוויר). שתי מולקולות נוספות של פחמן דו-חמצני, שמקורן הוא האצטיל, נפלטות במהלך מעגל קרבס. בנוסף לפחמן הדו-חמצני נפלטים גם שני אלקטרונים ופרוטון אחד, דהיינו - יון הידריד (⁻H). את היון קולט נשא האלקטרונים NAD ומעביר אותו לשרשרת הנשימה, בדומה לשאר האלקטרונים הנאספים על ידי NAD בגליקוליזה ובמעגל קרבס עצמו.
התגובה שבמהלכה נפלט פחמן דו-חמצני מפירובט מכונה דקרבוקסילציה (שכן ה-COO שנפלט מהווה קבוצת קרבוקסילט). את התגובה מזרז האנזים PDH, פירובט דהידרוגנאז (Pyruvate dehydrogenase). זהו מערך סבוך ומשוכלל של שלושה אנזימים וחמישה קואנזימים.

שלבי התהליך

המעגל מורכב משרשרת של שמונה תגובות כימיות; בתגובה הראשונה משתתף חומר (המכיל 4 אטומי פחמן) הנקרא אוקסלואצטט (Oxaloacetate); חומר זה נוצר גם בתגובה האחרונה בשרשרת, ולפיכך מדובר ב"מעגל": אוקסלואצטט מגיב בתחילת המעגל עם אצטיל קואנזים A, וגורם בכך להתנעת התהליך; מולקולת האוקסלואצטט הנוצרת בסוף התהליך יכולה להגיב עם עוד מולקולת אצטיל קואנזים A ולהתניע מעגל חדש; לפיכך, מולקולת אוקסלואצטט אחת יכולה להגיב עם מספר בלתי מוגבל של מולקולות אצטיל קואנזים A.

שלב II - איזוציטראט

השלב השני של מעגל קרבס הוא יצירת איזוציטראט באמצעות תגובת איזומריזציה, דרך תוצר הביניים ציס-אקוניטאט (משתייכת למשפחת התלת קרבוקסיליות). התגובה מקוטלזת על ידי האנזים אקוניטאז הידרטאז (בקיצור: אקוניטאז).
אקוניטאז מפעיל מנגנון דהידרציה-הידרציה, כאשר באתר הפעיל מעורב בקטליזה צבר אטומי ברזל-גפרית [4Fe-4S]; השיירים הקטליטיים המעורבים באתר הפעיל הם His¹⁰¹ ו-Ser⁶⁴², ומלבדם קיימים לפחות 21 שיירי חומצות אמינו נוספים המעורבים בזיהוי הסובסטרט, ייצוב מבנה ה-[4Fe-4S] ועוד. 
בשלב הראשון של הריאקציה His¹⁰¹ פועל כחומצה (מוסר פרוטון) ועושה פרוטונוציה על קבוצת ההידרוקסיל שעל פחמן מס' 3 של הציטראט, ומאפשר לו להשתחרר כמולקולת מים ("דה-הידרציה"). בו זמנית, Ser⁶⁴² מקבל את הפרוטון הקשור לפחמן מס' 2, כך שנוצר קשר כפול בין פחמנים מס' 2-3, ומתקבל תוצר הביניים ציס-אקוניטאט. בנקודה זו, המולקולה עושה "פליפ" ומסתובבת ב-180° באופן שפחמן מס' ופחמן מס' 3 מחליפים את העמדות שלהם; נהוג לומר שה"פליפ" הזה משנה את המולקולה מ"מצב ציטראטי" ל"מצב איזוציטראטי".
בשלב האחרון יש שימוש בתגובת הידרציה, כך שקבוצת ההידרוקסיל והמימן יקשרו מחדש למולקולה אך הפעם בסטריאוכימיה הפוכה; במולקולת הציטראט הייתה קבוצת ההידרוקסיל קשורה לפחמן מס' 3 והמימן לפחמן מס' 2, ובמולקולת האיזוציטראט - ההידרוקסיל קשור לפחמן מס' 2 ואילו המימן לפחמן מס' 3. על מנת שפעולה זו תתרחש, השיירים הקטליטיים משנים את פעילותם: His¹⁰¹ משמש עתה כבסיס ומקבל פרוטון ממולקולת מים, כך שנותר הידרוקסיל המשמש כנוקליאופיל ותוקף את פחמן מס' 2. שייר ה-Ser⁶⁴² עובר דה-פרוטונוציה על ידי הקשר הכפול של ציס-אקונטיאט כדי להשלים את ההידרציה, כך שיצור איזוציטראט.

הרווח האנרגטי

במהלכו של מעגל קרבס נוצרת מולקולה אחת בלבד של הנוקלאוטיד ATP (לעיתים נוצר GTP, אשר מומר במהרה על ידי אנזים ל-ATP), "מטבע האנרגיה" של כל היצורים החיים. על כל מולקולת גלוקוז שאנו צורכים במזון, אם כן, מתקבלות שתי מולקולות ATP במעגל קרבס (כיוון שגלוקוז מתפרק בגליקוליזה לשתי מולקולות פירובט, וכל אחת מהן מתניעה סיבוב נפרד של מעגל קרבס).
בגליקוליזה מתקבלות גם כן שתי מולקולות ATP; לעומת זאת, בשלב הבא של הנשימה, הזרחון החמצוני, מתקבלות 30 - 36 מולקולות ATP. ברור, אם כן, שהזרחון החמצוני הוא השלב בו מופקת רוב האנרגיה; הגליקוליזה ומעגל קרבס הם שלבים מקדימים בלבד.

מעגל קרבס כצומת מטבולי

בנוסף לתפקידו העיקרי של מעגל קרבס - הפקת אנרגיה - משמש המעגל גם כצומת מטבולי בעל חשיבות עליונה. כל תוצרי הביניים של המעגל (ראו לעיל) משמשים לסנתוז ובניית חומרים שונים בתא (אנבוליזם). בנוסף, תרכובות רבות שאנו צורכים במזון, ואשר מהן לא מופקת אנרגיה באופן ישיר (נוקלאוטידים, חומצות אמינו, חומצות שומן - מתפרקים (עוברים קטבוליזם) בתא ותוצריהם מומרים לתוצרי הביניים של מעגל קרבס, כך שתרכובות אלו יכולות להיכנס ישירות למעגל ולהזין אותו.