Glioxilát ciklus

A glioxilát ciklus vagy glioxilát shunt [1]  egy anabolikus útvonal , amely növényekben , baktériumokban , protistákban és gombákban található, és egy módosított trikarbonsav ciklus . A glioxilát ciklus arra szolgál, hogy az acetil-CoA- t szukcináttá alakítsa , amelyet aztán szénhidrátok szintetizálására használnak [2] . A mikroorganizmusokban egyszerű szénvegyületek szénforrásként való hasznosítását biztosítja, ha bonyolultabb források, például glükóz nem állnak rendelkezésre [3] , és a trikarbonsavciklus egyik anaplerotikus reakciójának is tekinthető, a szukcinát és a malát mennyiségének pótlása [1] . Úgy gondolják, hogy a glioxilát-ciklus hiányzik az állatokban (megerősített kivétel a fonálférgek az embriogenezisük korai szakaszában ), azonban az utóbbi években a ciklus kulcsfontosságú enzimei , a malát-szintáz és az izocitrát-liáz [ 2] [4] , egyes állati szövetekben találtak .

A glioxilát ciklus enzimjeit és reakcióit Hans Kornberg fedezte felésHans Adolf Krebs[5].

Mechanizmus

Növényekben, bizonyos gerinctelenekben és néhány mikroorganizmusban (beleértve az Escherichia coli baktériumot és az élesztőt ) az acetát energiaforrásként és a foszfoenolpiruvát prekurzoraként is szolgálhat , amelyet tovább használnak a szénhidrát szintézishez . Ezekben a szervezetekben a glioxilát ciklus enzimei katalizálják az acetát átalakulását szukcináttá:

2 Acetil-CoA + NAD + + 2H 2 O → szukcinát + 2CoA + NADH + H + .

A glioxilát ciklus során az acetil-CoA oxálacetáttal egyesül , és citrátot képez , és a citrát izocitráttá alakul , mint a trikarbonsav ciklusban. A következő lépés azonban nem az izocitrát-dehidrogenáz enzim által az izocitrátból történő hidrogén leválasztása , hanem az izocitrát szukcinátra és glioxilátra történő hasítása izocitrát-liáz hatására . Ennek az aldolreakciónak mechanizmusa az alábbiakban látható:

A glioxilát ezután egy második acetil-CoA- molekulával kondenzálva malátot képez a malát-szintáz által , és a szukcinát elhagyja a ciklust. A malát tovább oxidálódik oxál-acetáttá, amely egyesülhet egy új acetil-CoA molekulával, és elindíthatja a ciklus új fordulatát. A glioxilát ciklus minden egyes fordulata során két molekula acetil-CoA-t használnak fel, és egy molekula szukcinát keletkezik, amely később bioszintetikus folyamatokban is felhasználható. A szukcinát a fumaráton és a maláton keresztül oxál-acetáttá alakítható, amelyet azután a foszfoenolpiruvát karboxikináz foszfoenolpiruváttá alakíthat, és a foszfoenolpiruvát glükózt ad a glükoneogenezis során . Az állatokban a glioxilát-ciklus nem megy végbe, ezért nem tudnak glükózt nyerni a lipidekből (a zsírsavak β-oxidációja során acetil-CoA képződik ) [6] .

Funkciók különböző szervezetekben

Növények

A növényekben a glioxilát ciklus enzimei membránhoz kötött organellumokban - glioxiszómákban helyezkednek el , amelyek speciális peroxiszómák (a bennük előforduló ciklus szerint nevezik el [7] ). Azok az enzimek, amelyek egyszerre vesznek részt a trikarbonsavciklusban és a glioxilát ciklusban is, két-két izoenzimmel rendelkeznek, amelyek közül az egyik a mitokondriumokban , a másik a glioxiszómákban található. A glioxiszómák nincsenek folyamatosan jelen minden növényi szövetben . Lipidben gazdag magvakban termelődnek a csírázás során , mielőtt a fejlődő növény fotoszintézis útján maga is glükózt termelhetne . A glioxiszómák a glioxilát ciklus enzimjein kívül minden olyan enzimet tartalmaznak, amely a magvakban raktározott zsírsavak lebontásához szükséges. A zsírsavak β-oxidációja során képződő acetil-CoA a glioxilát ciklus során szukcináttá alakul, a szukcinát pedig a mitokondriumokba kerül, ahol részt vesz a trikarbonsav ciklusban és maláttá alakul. A citoszolos malát-dehidrogenáz izoenzim a malátot oxálacetáttá oxidálja, amely viszont foszfoenolpiruváttá alakulhat. Ez utóbbi részt vesz a glükoneogenezisben, és végül glükózt termel. Így egy csírázó mag képes a lipidekben tárolt szenet glükózzá alakítani [6] .

Gombák és mikroorganizmusok

A gombákban a glioxilát ciklus enzimei a peroxiszómákban lokalizálódnak. Egyes kórokozó gombákban a glioxilát ciklus egészen más célokat szolgálhat. A ciklus két kulcsenzimének - az izocitrát-liáznak és a malát-szintáznak - koncentrációja jelentősen megnő, ha a gomba olyan személlyel érintkezik, akit ez a gomba megfertőz. E gombák egyes fajaiban az izocitrát-liázt nem tartalmazó mutánsok virulenciája csökkent a vad típushoz képest , amint azt az egereken végzett vizsgálatok kimutatták . Ennek az összefüggésnek az okait jelenleg vizsgálják, de megállapítható, hogy a glioxilát ciklus szükséges a kórokozók virulenciájának fenntartásához [8] .

A legfrissebb adatok szerint a növényekben és gombákban a glioxilátciklus enzimei nem csak a glioxiszómán belül lokalizálódnak: egy részük kívül, így a glioxilát ciklus áramlása magában foglalja egyes intermediereinek a peroxiszóma membránon keresztül történő szállítását. [9] .

A glioxilát ciklus jelenléte miatt egyes mikroorganizmusok szaporodhatnak olyan tápközegben, amely acetátot vagy zsírsavakat tartalmaz egyedüli szénforrásként [10] .

Állatok

Általánosan elfogadott, hogy az állatok nem képesek végrehajtani a glioxilát ciklust, mivel egészen a közelmúltig nem volt bizonyíték arra, hogy két kulcsfontosságú ciklus enzimük van, az izocitrát-liáz és a malát-szintáz. Egyes tanulmányok azonban azt mutatják, hogy ez a ciklus néhány, ha nem az összes gerincesben előfordul [4] [11] . Egyes tanulmányok különösen azt mutatták ki, hogy a glioxilát ciklus összetevői nagy mennyiségben vannak jelen a csirkemájban . Ezek és hasonló adatok azt sugallják, hogy elméletileg a glioxilátciklust bonyolultabb szervezetű gerincesek is végrehajthatják [12] . Más tanulmányok bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy a glioxilát-ciklus egyes rovarokban és tengeri gerinctelenekben, valamint fonálférgekben létezik (ez utóbbi esetben a glioxilátciklus jelenléte egyértelműen megerősített). Más tanulmányok azonban cáfolják az ilyen következtetéseket [13] . Nincs egyetértés abban sem , hogy emlősökben létezik-e ciklus : például egy tanulmány azt jelzi, hogy a glioxilát ciklus aktív hibernált medvékben [14] , de az újabb tanulmányok vitatják ezt a következtetést [15] . Másrészt a placentális emlősök genomjában nem azonosítottak olyan gént , amely izocitrát- liázt és malát-szintázt kódolna, bár a malát-szintáz nyilvánvalóan aktív lehet nem placentális emlősökben és más gerincesekben [2] . Ezen túlmenően feltételezhető, hogy az emlősökben ezeket az enzimeket kódoló gének pszeudogén formában vannak , vagyis az ilyen gének nem hiányoznak teljesen emlősökben, hanem csak „kikapcsolt” állapotban vannak [2] . Lehetséges, hogy a D- vitamin részt vesz a glioxilát ciklus szabályozásában gerincesekben [12] [16] .

Mindazonáltal vannak előnyei annak, hogy az emlőssejtekben nincs glioxilátciklus. A glioxilát-ciklus jelenléte egyes kórokozó mikroorganizmusokban és hiánya emberekben lehetővé teszi olyan antibiotikumok előállítását , amelyek blokkolják ezt a ciklust: károsak lennének a glioxilátciklustól függő mikroorganizmusokra, ugyanakkor ártalmatlanok az emberre [3] .

rendelet

A csírázó magvakban a dikarbonsavak és trikarbonsavak enzimatikus átalakulása három intracelluláris kompartmentben megy végbe: a mitokondriumokban, a glioxiszómákban és a citoszolban. E kompartmentek között folyamatos a metabolitcsere (lásd a külső képet) [17] .

Az oxál-acetát szénváza a trikarbonsavciklusból (a mitokondriumokban fordul elő) aszpartát formájában glioxiszómákba kerül . Ott az aszpartát oxálacetáttá alakul, amely a zsírsavak oxidációja során képződő acetil-CoA-val kondenzálódik. A kapott citrát az akonitáz hatására izocitráttá alakul, amely azután glioxilátra és szukcinátra bomlik az izocitrát-liáz hatására. A szukcinát visszatér a mitokondriumokba, ahol részt vesz a trikarbonsav ciklusban, és maláttá alakul, amely a citoplazmába kerül, és a citoszolos malát-dehidrogenáz hatására oxálacetáttá oxidálódik. A glükoneogenezis során az oxálacetát hexózokká és szacharózzá alakul , amelyek a növekvő gyökerekhez és hajtásokhoz juthatnak . Mindezen átalakulásokban tehát 4 különböző biokémiai folyamat vesz részt: zsírsav-oxidáció acetil-CoA-vá (glioxiszómákban), glioxilátciklus (glioxiszómákban), trikarbonsavciklus (mitokondriumokban) és glükoneogenezis (citoszolban) [17] .

A közös metabolitok jelenléte ezekben a folyamatokban megköveteli ezek összehangolt szabályozását. Ezek közül a vegyületek közül a legfontosabb az izocitrát, amely a glioxilát ciklus és a trikarbonsav ciklus "eltérési pontjaként" szolgál. Az izocitrát-dehidrogenázt kovalens módosulások szabályozzák: egy specifikus protein-kináz foszforilálja és ezáltal inaktiválja. Ez az inaktiváció azt okozza, hogy az izocitrát többé nem vesz részt a trikarbonsav-ciklusban, és a glioxilát ciklusba kerül, ahol a glükóz szintézis előfutárává válik. A foszfoprotein-foszfatáz eltávolítja a foszforil-csoportot az izocitrát-dehidrogenázból, újraaktiválja az enzimet, és az izocitrát nagy része a trikarbonsav ciklusba kerül, ahol energiát vonnak ki belőle. A protein kináz és a foszfoprotein foszfatáz szabályozó enzimaktivitását egyetlen polipeptid végzi [17] .

Egyes baktériumok, köztük az E. coli , teljes glikozilát- és trikarbonsavciklus enzimkészlettel rendelkeznek a citoszolban, ezért acetáton, mint egyetlen szén- és energiaforrásukon szaporodhatnak. Az izocitrát-dehidrogenázt aktiváló foszfoprotein-foszfatázt a trikarbonsavciklus és a glikolízis közbenső termékei stimulálják , amelyek jelzik, hogy a sejt megfelelően el van látva energiával. Ugyanezek a metabolitok gátolják ennek a szabályozó polipeptidnek a protein kináz aktivitását. Ezért a sejtet energiával ellátó központi pályák köztes termékeinek felhalmozódása, ami energiahiányra utal, aktiválja az izocitrát-dehidrogenázt. Amikor ezeknek az anyagoknak a koncentrációja csökken, ami a trikarbonsavciklus kiindulási termékeinek elegendő mennyiségét jelzi, az izocitrát-dehidrogenázt a protein-kináz inaktiválja [17] .

A glikolízis és a trikarbonsavciklus ugyanazon vegyületei, amelyek aktiválják az izocitrát-dehidrogenázt, az izocitrát-liáz allosztérikus inhibitorai . Ha az energia-anyagcsere sebessége elég magas ahhoz, hogy a glioxilát ciklus és a trikarbonsav ciklus közbenső termékeinek koncentrációja alacsonyan maradjon, az izocitrát-dehidrogenáz inaktiválódik, és az izocitrát-liáz gátlása leáll, és az izocitrát részt vesz a glioxilát ciklusban, ahol szénhidrátok, aminosavak és más sejtkomponensek bioszintézisére használható [17] .

Biomérnöki

Jelenleg a biomérnökök nagy érdeklődésre tartanak számot, hogy bevezessék az emlősökbe azokat az anyagcsere-utakat, amelyek természetesen hiányoznak belőlük. Az egyik ilyen út, amelyet a biomérnökök megpróbáltak bevinni az emlőssejtekbe, a glioxilát ciklus volt. Az érdeklődést a juhgyapjú növekvő mennyisége váltotta ki , amelyhez nagy mennyiségű glükóz szükséges. Ha ezt a ciklust be lehetne vezetni a juhokba, akkor a sejtekben rendelkezésre álló hatalmas acetáttartalékokat glükóz előállítására használnák fel, ami viszont növelné a nyert juhgyapjú mennyiségét [18] .

A glioxilát ciklushoz szükséges két gént izoláltuk és szekvenáltuk az E. coli DNS- ből: az izocitrát-liázt kódoló AceA-t és a malát-szintázt kódoló AceB-t [18] . Ezt követően ezeket a géneket sikeresen be lehetne illeszteni az emlős szövettenyésztő sejtek DNS-ébe, ahol átíródnak és a megfelelő enzimekké lefordíthatók anélkül, hogy magának a sejtnek kárt okoznának, így lehetővé téve a glioxilát ciklus lezajlását. Azonban nehéznek bizonyult ezt az utat transzgenikus egerekbe ily módon bevezetni. Bár ezek a gének máj- és vékonybélsejtekben expresszálódnak , expressziós szintjük alacsony és instabil volt. A probléma megoldása érdekében lehetséges lenne ezeket a géneket fuzionálni promoterekkel, hogy növeljék expressziójukat, és lehetővé váljanak olyan sejtekben, mint például a hámsejtek [19] .

Nem jártak sikerrel azonban azok a kísérletek, amelyek a ciklust a bonyolultabb szervezettségű állatokba, különösen a juhokba vezették be. Ez arra utalhat, hogy a glioxilát ciklus gének magas szintű expressziója katasztrofális következményekkel járna a sejtre nézve. A terápiás klónozás bizonyos előnyökkel járhat a glioxilátciklus emlőssejtekbe való bejuttatásában , ami lehetőséget adna a kutatóknak, hogy teszteljék a ciklusgének funkcionális integrációját a genomban, mielőtt közvetlenül a szervezetbe juttatnák őket [18] .

Jegyzetek

  1. ↑ 1 2 Netrusov A.I., Kotova I.B. Mikrobiológia. - 4. kiadás, átdolgozva. és további .. - M . : "Akadémia" Kiadói Központ, 2012. - S. 128. - 384 p. - ISBN 978-5-7695-7979-0 .
  2. ↑ 1 2 3 4 Kondrashov FA , Koonin EV , Morgunov IG , Finogenova TV , Kondrashova MN Glioxilát ciklus enzimek evolúciója Metazoában: több horizontális transzfer esemény és pszeudogén képződés bizonyítéka.  (angol)  // Biology direct. - 2006. - Vol. 1. - P. 31. - doi : 10.1186/1745-6150-1-31 . — PMID 17059607 .
  3. ↑ 1 2 Lorenz MC , Fink GR Élet és halál egy makrofágban: a glioxilát ciklus szerepe a virulenciában.  (angol)  // Eukarióta sejt. - 2002. - 20. évf. 1, sz. 5 . - P. 657-662. — PMID 12455685 .
  4. ↑ 1 2 Popov EA, Moszkalev EA, Shevchenko MU, Eprintsev AT A glioxilát ciklus kulcsenzimének izocitrát liázának összehasonlító elemzése különböző szisztematikus csoportok szervezeteiből // Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. - 2005. - 20. évf. 41, 6. sz . - P. 631-639. - doi : 10.1007/s10893-006-0004-3 .
  5. ↑ Bryan A. Wilson, Jonathan C. Schisler, Monte S. Willis. Sir Hans Adolf Krebs: A metabolikus ciklusok építésze  // LabMedicine. - 2010. - T. 41 . - S. 377-380 . - doi : 10.1309/LMZ5ZLAC85GFMGHU .  (nem elérhető link)
  6. ↑ 12. Nelson , Cox, 2008 , p. 638.
  7. ↑ Heldt, 2011 , p. 315.
  8. ↑ Lorenz MC , Fink GR A glioxilát ciklus szükséges a gomba virulenciájához.  (angol)  // Természet. - 2001. - 20. évf. 412, sz. 6842 . - P. 83-86. - doi : 10.1038/35083594 . — PMID 11452311 .
  9. ↑ Kunze M. , Pracharoenwattana I. , Smith SM , Hartig A. A peroxisomal membrán központi szerepe a glioxilát ciklus funkciójában.  (angol)  // Biochimica et biophysica acta. - 2006. - Vol. 1763. sz. 12 . - P. 1441-1452. - doi : 10.1016/j.bbamcr.2006.09.009 . — PMID 17055076 .
  10. ↑ Glioxilát ciklus - cikk a Biological Encyclopedic Dictionary-ból
  11. ↑ Davis WL , Goodman DB Bizonyíték a glioxilát ciklusra az emberi májban.  (angol)  // Az anatómiai rekord. - 1992. - 1. évf. 234. sz. 4 . - P. 461-468. - doi : 10.1002/ar.1092340402 . — PMID 1456449 .
  12. ↑ 1 2 Davis WL , Jones RG , Farmer GR , Dickerson T. , Cortinas E. , Cooper OJ , Crawford L. , Goodman DB Glyoxylate ciklus enzimek azonosítása csirkemájban – a D3-vitamin hatása: citokémia és biokémia.  (angol)  // Az anatómiai rekord. - 1990. - 1. évf. 227. sz. 3 . - P. 271-284. - doi : 10.1002/ar.1092270302 . — PMID 2164796 .
  13. ↑ Storrey, Kenneth. Funkcionális anyagcsere : szabályozás és alkalmazkodás  . - Hobocken, New Jersey: John Wiley and Sons, Inc., 2004. - P. 221-223. — ISBN 0-471-41090-X .
  14. ↑ Davis WL , Goodman DB , Crawford LA , Cooper OJ , Matthews JL A hibernáció aktiválja a glioxilát ciklust és a glükoneogenezist a fekete medve barna zsírszövetében.  (angol)  // Biochimica et biophysica acta. - 1990. - 1. évf. 1051, sz. 3 . - 276-278. — PMID 2310778 .
  15. ↑ Jones JD , Burnett P. , Zollman P. A glioxilát ciklus: alvó vagy aktív medvében működik?  (angol)  // Összehasonlító biokémia és élettan. B rész, Biokémia és molekuláris biológia. - 1999. - 1. évf. 124. sz. 2 . - P. 177-179. — PMID 10584301 .
  16. ↑ Davis WL , Jones RG , Farmer GR , Cortinas E. , Matthews JL , Goodman DB A glioxilát ciklus patkány epifízis porcában: a D3-vitamin hatása az izocitrát-liáz és a malát-szintáz enzimek aktivitására.  (angol)  // Bone. - 1989. - 1. évf. 10, sz. 3 . - P. 201-206. — PMID 2553083 .
  17. ↑ 1 2 3 4 5 Nelson, Cox, 2008 , p. 639.
  18. ↑ 1 2 3 Ward KA Transzgén által közvetített módosítások az állati biokémiában.  (angol)  // Trends in biotechnology. - 2000. - Vol. 18, sz. 3 . - P. 99-102. — PMID 10675896 .
  19. ↑ Ward KA , Nancarrow CD Háziállatok termelési tulajdonságainak génmanipulációja.  (angol)  // Experientia. - 1991. - 1. évf. 47. sz. 9 . - P. 913-922. — PMID 1915775 .

Irodalom

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák