ГЛІОКСИЛАТНИЙ ЦИКЛ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, РЕАКЦІЇ, РЕГУЛЯЦІЯ, ФУНКЦІЇ - БІОЛОГІЯ - 2025

Цикл гліоксілата є шлях метаболізму в рослинах, в деяких мікроорганізмах і безхребетних тварин (відсутній у всіх хребетних), з допомогою якого ці організми можуть перетворювати жири в вуглеводи (цукор).

Цей шлях був відкритий у 1957 році, тоді як Корнберг, Кребс та Біверс намагалися з'ясувати, як бактерії, такі як кишкова паличка, можуть рости в присутності ацетату як єдиного джерела вуглецю, і як проростаючі саджанці багатства (Ricinus communis) можуть перетворити жири в вуглеводи.

Схема циклу гліоксилатів (Джерело: Agrotman через Wikimedia Commons)

Дослідження цих трьох дослідників призвели до відкриття двох ферментів, відомих як ліати ізоцитрату та малат-синтази, які разом із ферментами циклу Кребса дозволяють синтезу сукцинату з двох молекул ацетил-коА.

Отриманий таким чином сукцинат перетворюється в малат через цикл трикарбонової кислоти, а згодом може бути використаний для отримання глюкози за допомогою глюконеогенезу.

Цей шлях відбувається у рослин у спеціальних органелах, які називаються гліоксисомами, і є важливим для виживання саджанців на ранніх стадіях проростання.

характеристики

Шлях гліоксилату можна розглядати як "модифікацію" циклу Кребса, з тією різницею, що окислювальне декарбоксилювання не відбувається в колишньому, але чотиривуглецеві дикарбонові кислоти можуть утворюватися з двох ацетатних одиниць вуглець.

Ця характеристика гліоксилатного циклу була описана як спосіб, який деяким організмам доводиться уникати («обходити») втрати атомів вуглецю у вигляді вуглекислого газу, що ідентифікує цикл Кребса.

У рослин цикл гліоксилатів відбувається в цитозольних органелах, оточених простою мембраною, відомою як гліоксисоми. У інших організмів, таких як дріжджі та водорості, з іншого боку, цей шлях відбувається в цитозолі.

Гліоксисоми за структурою схожі на пероксисоми (деякі автори вважають їх "спеціалізованими пероксисомами"), інші органели, відповідальні за частину β-окислення жирних кислот та виведення реактивних видів кисню в еукаріотичних організмах.

Усередині жирні кислоти окислюються з утворенням ацетил-КоА, який згодом конденсується в сполуки з чотирма атомами вуглецю. Ці сполуки вибірково транспортуються до мітохондрій, де вони перетворюються в малат або транспортуються до цитозолу для вступу в глюконеогенний шлях (синтез глюкози).

Ферменти, поділені між шляхом гліоксилату та циклом трикарбонової кислоти, існують у мітохондріях та гліоксисомі як ізоферменти, що означає, що обидва шляхи працюють більш-менш незалежно один від одного.

Виникнення гліоксисом

Гліоксисоми не постійно містяться в тканинах рослин. Вони особливо рясні під час проростання олійних культур, які мають невелику фотосинтетичну здатність виробляти вуглеводи, необхідні для вирощування.

У повністю розвинених рослинах їхня участь у метаболізмі жирів не настільки істотна, оскільки цукру отримують переважно фотосинтезом.

Реакції

Ацетат від розпаду жирних кислот функціонує як енергоємне паливо і як джерело фосфоенолпірувату для синтезу глюкози за допомогою глюконеогенезу. Процес такий:

Етапи циклу гліоксилатів

1- Шлях гліоксилату, аналогічний циклу Кребса, починається з конденсації молекули ацетил-КоА з іншою оксалоацетатом, отримуючи цитрат, реакцію, каталізовану синтазою ферменту цитрат.

2- Фермент Аконітаза перетворює цей цитрат у ізоцитрат.

3- Ізоцитрат використовується як субстрат для ліази ізоцитрату ферменту для утворення сполук сукцинат та гліоксилат.

Молекулярна структура ферменту Ізоцитрат Ліаса (Джерело: Vrabiochemhw через Wikimedia Commons)

4- Гліоксилат приймається ферментом малат-синтази для отримання малату шляхом його конденсації з другою молекулою ацетил-КоА.

5- Малат перетворюється в оксалоацетат малатдегідрогеназою, і ця сполука може слугувати попередником глюконеогенного шляху або конденсуватися з іншим ацетил-КоА, щоб ще раз запустити цикл.

6- Утворений сукцинат також може бути перетворений у фумарат, а цей у малат, забезпечуючи більшу кількість молекул оксалоацетату для утворення глюкози. В іншому випадку цю молекулу можна також експортувати в мітохондрії для функціонування в циклі Кребса.

Оксалоацетат надходить у глюконеогенний шлях вироблення глюкози завдяки його перетворенню у фосфоенолпіруват, який каталізується ферментом фосфоенолпіруват карбоксикіназою.

Регулювання

Оскільки цикли гліоксилату та трикарбонової кислоти ділять між собою численні проміжні продукти, між ними існує узгоджена регуляція.

Крім того, повинні існувати механізми контролю, оскільки синтез глюкози та інших гексоз з ацетил-КоА (від деградації жирів) передбачає участь щонайменше чотирьох шляхів:

- β-окислення жирних кислот, які виробляють молекули ацетил-КоА, необхідні як для циклу гліоксилатів, так і для циклу Кребса, і які в рослинах відбуваються в гліоксисомах.

- цикл гліоксилатів, який також виникає в гліоксисомах і який, як було сказано, продукує проміжні продукти, такі як сукцинат, малат та оксалоацетат.

- цикл Кребса, який відбувається в мітохондріях і в якому також утворюються проміжні сукцинати, малат та оксалоацетат.

- Глюконеогенез, який відбувається в цитозолі та передбачає використання оксалоацетату, перетвореного у фосфоенолпіруват, для синтезу глюкози.

Основний контрольний пункт знаходиться в ферментах ізоцитратдегідрогенази, регуляція якого передбачає ковалентну модифікацію шляхом додавання або видалення фосфатної групи.

Коли фермент фосфорильований, він інактивується, тому ізоцитрат спрямований у бік гліоксилатного шляху для отримання глюкози.

Особливості

Для рослин цикл гліоксилатів є важливим, особливо під час процесу проростання, оскільки деградація жирів, що зберігаються в насінні, використовується для синтезу глюкози у фотосинтетично недорозвинених тканинах.

Глюкоза використовується як джерело для отримання енергії у вигляді АТФ або для утворення більш складних вуглеводів зі структурними функціями, але деякі проміжні продукти, що утворюються під час шляху гліоксилату, також можуть служити синтезу інших клітинних компонентів.

У мікроорганізмах

Основна функція циклу гліоксилатів у мікроорганізмах полягає у забезпеченні "альтернативного" метаболічного шляху, щоб мікроорганізми могли використовувати переваги інших джерел вуглецю та енергії для свого зростання.

Такий випадок бактерії Escherichia coli, в якій при зниженні рівня деяких проміжних сполук гліколізу та циклу лимонної кислоти (ізоцитрат, 3-фосфогліцерат, піруват, фосфоенолпіруват та оксалоацетат) фермент ізоцитрат дегідрогеназа (який бере участь у циклі Кребса) інгібується, а ізоцитрат спрямований у бік гліоксилатного шляху.

Якщо цей шлях активний, коли бактерії ростуть у середовищі, багатому ацетатом, наприклад, цей метаболіт можна використовувати для синтезу карбонових кислот з чотирма атомами вуглецю, що згодом може призвести до утворення енергетичних вуглеводів .

Для інших організмів, таких як гриби, наприклад, показано, що патогенність сильно залежить від наявності активного циклу гліоксилатів, очевидно, з метаболічних причин.

Список літератури

1. Dey, P., & Harborne, J. (1977). Біохімія рослин. Сан-Дієго, Каліфорнія: Академічна преса.
2. Прапорщик, SA (2006). Перегляд циклу гліоксилатів: альтернативні шляхи для засвоєння мікробного ацетату. Молекулярна мікробіологія, 61 (2), 274–276.
3. Garrett, R., & Grisham, C. (2010). Біохімія (4-е видання). Бостон, США: Брукс / Коул. CENGAGE Навчання.
4. Lorenz, MC, & Fink, GR (2001). Гліоксилатний цикл необхідний для вірулентності грибів. Природа, 412, 83-86.
5. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Біохімія (3-е видання). Сан-Франциско, Каліфорнія: Пірсон.
6. Rawn, JD (1998). Біохімія. Берлінгтон, Массачусетс: Видавництво Ніла Паттерсона.
7. Vallarino, JG, & Osorio, S. (2019). Органічні кислоти. «Фізіологія та біохімія фруктів та овочів» після посіву (стор. 207-224). Elsevier Inc.