CYKL GLIOKSYLANOWY: CHARAKTERYSTYKA, REAKCJE, REGULACJA, FUNKCJE - BIOLOGIA - 2025

Cyklu glioksylanowym jest szlak metaboliczny występuje w roślinach, w niektórych mikroorganizmów i zwierząt bezkręgowych (występuje u wszystkich kręgowców), przez który można przekształcić te organizmy w tłuszcze węglowodanów (cukrów).

Ta droga została odkryta w 1957 roku, podczas gdy Kornberg, Krebs i Beevers próbowali wyjaśnić, w jaki sposób bakterie takie jak Escherichia coli mogą rosnąć w obecności octanu jako jedynego źródła węgla i jak kiełkujące sadzonki wilczomlecza (Ricinus communis) mogą przekształcać tłuszcze w węglowodany.

Schemat cyklu glioksylanowego (źródło: Agrotman za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Badania tych trzech badaczy doprowadziły do ​​odkrycia dwóch enzymów znanych jako liaza izocytrynianowa i syntaza jabłczanowa, które wraz z enzymami cyklu Krebsa umożliwiają syntezę bursztynianu z dwóch cząsteczek acetylo-coA.

Powstały w ten sposób bursztynian jest przekształcany w jabłczan w cyklu kwasu trikarboksylowego i może być później wykorzystany do produkcji glukozy poprzez glukoneogenezę.

Szlak ten zachodzi w roślinach w specjalnych organellach zwanych glioksysomami i jest niezbędny do przetrwania sadzonek we wczesnych stadiach kiełkowania.

cechy

Szlak glioksylanowy można postrzegać jako „modyfikację” cyklu Krebsa, z tą różnicą, że dekarboksylacja oksydacyjna nie zachodzi w pierwszym, ale czterowęglowe kwasy dikarboksylowe mogą powstawać z jednostek octanowych dwóch węgle.

Ta właściwość cyklu glioksylanowego została opisana jako sposób, w jaki niektóre organizmy muszą unikać („omijać”) utraty atomów węgla w postaci dwutlenku węgla, który identyfikuje cykl Krebsa.

U roślin cykl glioksylanowy zachodzi w organellach cytozolowych otoczonych prostą błoną zwaną glioksysomami. Z drugiej strony w innych organizmach, takich jak drożdże i glony, droga ta zachodzi w cytozolu.

Glioksysomy są strukturalnie podobne do peroksysomów (niektórzy autorzy uważają je za „wyspecjalizowane peroksysomy”), inne organelle odpowiedzialne za część β-oksydacji kwasów tłuszczowych i eliminację reaktywnych form tlenu w organizmach eukariotycznych.

Wewnątrz kwasy tłuszczowe są utleniane, aby wytworzyć acetylo-CoA, który jest następnie kondensowany w związki zawierające cztery atomy węgla. Związki te są selektywnie transportowane do mitochondriów, gdzie są przekształcane do jabłczanu lub transportowane do cytozolu, aby wejść na szlak glukoneogenny (synteza glukozy).

Enzymy współdzielone przez szlak glioksylanowy i cykl kwasu trikarboksylowego istnieją w mitochondriach i glioksysomie jako izoenzymy, co oznacza, że ​​oba szlaki działają mniej lub bardziej niezależnie od siebie.

Występowanie glioksysomów

Glioksysomy nie są trwale obecne w tkankach roślin. Występują szczególnie obficie podczas kiełkowania nasion oleistych, które mają niewielką zdolność fotosyntezy do produkcji węglowodanów potrzebnych do wzrostu.

U roślin w pełni rozwiniętych ich udział w metabolizmie tłuszczów nie jest tak istotny, gdyż cukry pozyskiwane są głównie w drodze fotosyntezy.

Reakcje

Octan z rozkładu kwasów tłuszczowych pełni funkcję bogatego w energię paliwa oraz źródła fosfoenolopirogronianu do syntezy glukozy na drodze glukoneogenezy. Proces przebiega następująco:

Etapy cyklu glioksalowego

1- Ścieżka glioksylanowa, podobna do cyklu Krebsa, rozpoczyna się od kondensacji cząsteczki acetylo-CoA z inną szczawiooctanem w celu uzyskania cytrynianu, reakcji katalizowanej przez enzym syntazę cytrynianową.

2- Enzym akonitaza przekształca cytrynian w izocytrynian.

3-izocytrynian jest stosowany jako substrat dla enzymu liazy izocytrynianowej do tworzenia związków bursztynianowych i glioksylanowych.

Struktura molekularna enzymu Isocitrate Liasa (źródło: Vrabiochemhw via Wikimedia Commons)

4- Glioksylan jest wychwytywany przez enzym syntazę jabłczanu w celu wytworzenia jabłczanu poprzez jego kondensację z drugą cząsteczką acetylo-CoA.

5- Jabłczan jest przekształcany w szczawiooctan przez dehydrogenazę jabłczanową i związek ten może służyć jako prekursor szlaku glukoneogennego lub być skondensowany z innym acetylo-CoA, aby ponownie uruchomić cykl.

6- Wytworzony bursztynian można również przekształcić w fumaran, a ten w jabłczan, dostarczając większej ilości cząsteczek szczawiooctanu do tworzenia glukozy. W przeciwnym razie ta cząsteczka może być również eksportowana do mitochondriów, aby funkcjonować w cyklu Krebsa.

Szczawiooctan wchodzi w szlak glukoneogenny do produkcji glukozy dzięki konwersji do fosfoenolopirogronianu, który jest katalizowany przez enzym karboksykinazę fosfoenolopirogronianu.

Rozporządzenie

Ponieważ cykle glioksylanu i kwasu trikarboksylowego mają wiele wspólnych ze sobą związków pośrednich, istnieje skoordynowana regulacja między nimi.

Ponadto konieczne jest istnienie mechanizmów kontrolnych, ponieważ synteza glukozy i innych heksoz z acetylo-CoA (z degradacji tłuszczów) implikuje udział co najmniej czterech dróg:

- β-oksydacja kwasów tłuszczowych, w wyniku której powstają cząsteczki acetylo-CoA niezbędne zarówno do cyklu glioksylanowego, jak i Krebsa, które u roślin zachodzą w glioksysomach.

- Cykl glioksylanowy, który występuje również w glioksysomach i w którym, jak wspomniano, powstają produkty pośrednie, takie jak bursztynian, jabłczan i szczawiooctan.

- Cykl Krebsa zachodzący w mitochondriach, w którym wytwarzane są również półprodukty bursztynian, jabłczan i szczawiooctan.

- Glukoneogeneza, która zachodzi w cytozolu i polega na wykorzystaniu szczawiooctanu przekształconego w fosfoenolopirogronian do syntezy glukozy.

Głównym punktem kontrolnym jest enzym dehydrogenaza izocytrynianowa, którego regulacja obejmuje kowalencyjną modyfikację poprzez dodanie lub usunięcie grupy fosforanowej.

Gdy enzym jest fosforylowany, jest inaktywowany, więc izocytrynian jest kierowany na szlak glioksylanowy do produkcji glukozy.

cechy

Dla roślin cykl glioksylanowy jest niezbędny, zwłaszcza podczas procesu kiełkowania, ponieważ rozkład tłuszczów zgromadzonych w nasionach jest wykorzystywany do syntezy glukozy w tkankach słabo rozwiniętych fotosyntetycznie.

Glukoza jest wykorzystywana jako źródło do pozyskiwania energii w postaci ATP lub do tworzenia bardziej złożonych węglowodanów o funkcjach strukturalnych, ale niektóre półprodukty powstające podczas szlaku glioksylanowego mogą również służyć do syntezy innych składników komórkowych.

W mikroorganizmach

Główną funkcją cyklu glioksylanowego w mikroorganizmach jest zapewnienie „alternatywnego” szlaku metabolicznego, tak aby mikroorganizmy mogły wykorzystywać inne źródła węgla i energii do swojego wzrostu.

Tak jest w przypadku bakterii Escherichia coli, w której, gdy zmniejsza się poziom niektórych związków pośrednich glikolizy i cyklu kwasu cytrynowego (izocytrynian, 3-fosfoglicerynian, pirogronian, fosfoenolopirogronian i szczawiooctan), enzym dehydrogenaza izocytrynianowa (który uczestniczy w cyklu Krebsa) jest hamowany, a izocytrynian jest kierowany na szlak glioksylanowy.

Jeśli ten szlak jest aktywny, gdy bakterie rosną na przykład w pożywce bogatej w octan, ten metabolit można wykorzystać do syntezy kwasów karboksylowych z czterema atomami węgla, które później mogą prowadzić do powstania energetycznych węglowodanów .

Na przykład w przypadku innych organizmów, takich jak grzyby, wykazano, że patogeniczność w dużym stopniu zależy od obecności aktywnego cyklu glioksylanowego, najwyraźniej z powodów metabolicznych.

Bibliografia

1. Dey, P. i Harborne, J. (1977). Biochemia roślin. San Diego, Kalifornia: Academic Press.
2. Ensign, SA (2006). Powrót do cyklu glioksalowego: alternatywne ścieżki asymilacji octanu drobnoustrojów. Molecular Microbiology, 61 (2), 274–276.
3. Garrett, R. i Grisham, C. (2010). Biochemistry (4th ed.). Boston, USA: Brooks / Cole. CENGAGE Learning.
4. Lorenz, MC i Fink, GR (2001). Cykl glioksylanowy jest wymagany do zjadliwości grzybów. Naturę, 412, 83-86.
5. Mathews, C., van Holde, K. i Ahern, K. (2000). Biochemistry (3rd ed.). San Francisco, Kalifornia: Pearson.
6. Rawn, JD (1998). Biochemia. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
7. Vallarino, JG i Osorio, S. (2019). Kwasy organiczne. W Fizjologii po zbiorach i Biochemii owoców i warzyw (str. 207–224). Elsevier Inc.