ГЛИОКСИЛАТНЫЙ ЦИКЛ: ХАРАКТЕРИСТИКА, РЕАКЦИИ, РЕГУЛЯЦИЯ, ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

Цикл глиоксилата является путь метаболизма в растениях, в некоторых микроорганизмах и беспозвоночных животных (отсутствует у всех позвоночных), с помощью которого эти организмы могут преобразовывать жиры в углеводы (сахар).

Этот путь был открыт в 1957 году, когда Корнберг, Кребс и Биверс пытались выяснить, как бактерии, такие как Escherichia coli, могут расти в присутствии ацетата в качестве единственного источника углерода, и как прорастающие проростки молочай (Ricinus communis) могут превращать жиры в углеводы.

Схема глиоксилатного цикла (Источник: Agrotman через Wikimedia Commons)

Исследования этих трех исследователей привели к открытию двух ферментов, известных как изоцитратлиаза и малатсинтаза, которые вместе с ферментами цикла Кребса позволяют синтезировать сукцинат из двух молекул ацетил-коА.

Полученный таким образом сукцинат превращается в малат посредством цикла трикарбоновых кислот, а затем может использоваться для производства глюкозы посредством глюконеогенеза.

Этот путь протекает у растений в специальных органеллах, называемых глиоксисомами, и необходим для выживания проростков на ранних стадиях прорастания.

характеристики

Глиоксилатный путь можно рассматривать как «модификацию» цикла Кребса, с той разницей, что окислительное декарбоксилирование не происходит в первом, но четыре углеродных дикарбоновых кислоты могут быть образованы из ацетатных единиц двух атомы углерода.

Эта характеристика глиоксилатного цикла была описана как способ, которым некоторые организмы должны избегать («обходить») потерю атомов углерода в виде диоксида углерода, который определяет цикл Кребса.

У растений цикл глиоксилата происходит внутри цитозольных органелл, окруженных простой мембраной, известной как глиоксисомы. С другой стороны, у других организмов, таких как дрожжи и водоросли, этот путь проходит в цитозоле.

Глиоксисомы структурно подобны пероксисомам (некоторые авторы считают их «специализированными пероксисомами»), другим органеллам, ответственным за часть β-окисления жирных кислот и устранение активных форм кислорода в эукариотических организмах.

Внутри жирные кислоты окисляются с образованием ацетил-КоА, который впоследствии конденсируется в соединения с четырьмя атомами углерода. Эти соединения избирательно транспортируются в митохондрии, где они превращаются в малат или транспортируются в цитозоль, чтобы вступить в глюконеогенный путь (синтез глюкозы).

Ферменты, общие для глиоксилатного пути и цикла трикарбоновых кислот, существуют в митохондриях и глиоксисомах как изоферменты, что означает, что оба пути работают более или менее независимо друг от друга.

Возникновение глиоксисом

Глиоксисомы не постоянно присутствуют в тканях растений. Их особенно много во время прорастания масличных семян, которые обладают небольшой фотосинтетической способностью производить углеводы, необходимые для роста.

У полностью развитых растений их участие в метаболизме жиров не столь существенно, поскольку сахара получают в основном путем фотосинтеза.

Реакции

Ацетат, образующийся при расщеплении жирных кислот, действует как энергетически богатое топливо и как источник фосфоенолпирувата для синтеза глюкозы посредством глюконеогенеза. Процесс выглядит следующим образом:

Этапы глиоксилатного цикла

1. Глиоксилатный путь, подобный таковому в цикле Кребса, начинается с конденсации молекулы ацетил-КоА с другой молекулой оксалоацетата с образованием цитрата, реакция, катализируемая ферментом цитрат-синтазой.

2- Фермент аконитаза превращает этот цитрат в изоцитрат.

3-Изоцитрат используется в качестве субстрата для фермента изоцитратлиазы с образованием соединений сукцината и глиоксилата.

Молекулярная структура фермента Isocitrate Liasa (Источник: Vrabiochemhw через Wikimedia Commons)

4-Глиоксилат поглощается ферментом малатсинтазой с образованием малата путем его конденсации со второй молекулой ацетил-КоА.

5. Малат превращается в оксалоацетат под действием малатдегидрогеназы, и это соединение может служить предшественником глюконеогенного пути или конденсироваться с другим ацетил-КоА, чтобы снова перезапустить цикл.

6. Полученный сукцинат также может быть преобразован в фумарат, а затем в малат, обеспечивая большее количество молекул оксалоацетата для образования глюкозы. В противном случае эта молекула также может быть экспортирована в митохондрии для функционирования в цикле Кребса.

Оксалоацетат вступает в глюконеогенный путь производства глюкозы благодаря его превращению в фосфоенолпируват, который катализируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксикиназой.

регулирование

Поскольку циклы глиоксилата и трикарбоновой кислоты разделяют друг с другом многочисленные промежуточные соединения, между ними существует согласованное регулирование.

Кроме того, должны быть механизмы контроля, поскольку синтез глюкозы и других гексоз из ацетил-КоА (от разложения жиров) предполагает участие как минимум четырех путей:

- β-окисление жирных кислот, в результате которого образуются молекулы ацетил-КоА, необходимые как для глиоксилатного цикла, так и для цикла Кребса, и которое у растений происходит в глиоксисомах.

- Глиоксилатный цикл, который также встречается в глиоксисомах и, как уже упоминалось, производит промежуточные продукты, такие как сукцинат, малат и оксалоацетат.

- Цикл Кребса, который имеет место в митохондриях и в котором также образуются промежуточные сукцинат, малат и оксалоацетат.

- Глюконеогенез, который происходит в цитозоле и включает использование оксалоацетата, превращенного в фосфоенолпируват, для синтеза глюкозы.

Основной контрольной точкой является фермент изоцитратдегидрогеназа, регуляция которого включает ковалентную модификацию путем добавления или удаления фосфатной группы.

Когда фермент фосфорилируется, он инактивируется, поэтому изоцитрат направляется по пути глиоксилата для производства глюкозы.

Характеристики

Для растений цикл глиоксилата важен, особенно во время процесса прорастания, поскольку разложение жиров, хранящихся в семенах, используется для синтеза глюкозы в фотосинтетически слаборазвитых тканях.

Глюкоза используется в качестве источника для получения энергии в форме АТФ или для образования более сложных углеводов со структурными функциями, но некоторые из промежуточных продуктов, образующихся в процессе глиоксилатного пути, также могут служить синтезу других клеточных компонентов.

В микроорганизмах

Основная функция глиоксилатного цикла у микроорганизмов заключается в обеспечении «альтернативного» метаболического пути, чтобы микроорганизмы могли использовать другие источники углерода и энергии для своего роста.

Так обстоит дело с бактерией Escherichia coli, у которой при снижении уровней некоторых промежуточных продуктов гликолиза и цикла лимонной кислоты (изоцитрат, 3-фосфоглицерат, пируват, фосфоенолпируват и оксалоацетат) фермент изоцитратдегидрогеназа (который участвует в цикле Кребса) ингибируется, а изоцитрат направляется по пути глиоксилата.

Если этот путь активен, когда бактерии растут в среде, богатой ацетатом, например, этот метаболит можно использовать для синтеза карбоновых кислот с четырьмя атомами углерода, что впоследствии может привести к образованию энергетических углеводов. ,

Для других организмов, таких как грибы, например, было показано, что патогенность в значительной степени зависит от наличия активного глиоксилатного цикла, очевидно, по метаболическим причинам.

Ссылки

1. Дей П. и Харборн Дж. (1977). Биохимия растений. Сан-Диего, Калифорния: Academic Press.
2. Ensign, SA (2006). Возвращаясь к глиоксилатному циклу: альтернативные пути ассимиляции ацетата микробами. Молекулярная микробиология, 61 (2), 274–276.
3. Гарретт Р. и Гришем К. (2010). Биохимия (4-е изд.). Бостон, США: Брукс / Коул. CENGAGE Обучение.
4. Лоренц, М.С., и Финк, Г.Р. (2001). Глиоксилатный цикл необходим для вирулентности грибков. Природа, 412, 83-86.
5. Мэтьюз, К., ван Холде, К., и Ахерн, К. (2000). Биохимия (3-е изд.). Сан-Франциско, Калифорния: Пирсон.
6. Rawn, JD (1998). Биохимия. Берлингтон, Массачусетс: Нил Паттерсон Паблишерс.
7. Валларино, Дж. Г., и Осорио, С. (2019). Органические кислоты. В «Послеуборочной физиологии и биохимии фруктов и овощей» (стр. 207–224). Elsevier Inc.