Glyoxylatcykel

Glyoxylatcykeln , eller glyoxylatshunt [1]  , är en anabol väg som finns i växter , bakterier , protister och svampar , och är en modifierad trikarboxylsyracykel . Glyoxylatcykeln tjänar till att omvandla acetyl-CoA till succinat , som sedan används för att syntetisera kolhydrater [2] . I mikroorganismer säkerställer det utnyttjandet av enkla kolföreningar som kolkälla när mer komplexa källor, t.ex.glukos är inte tillgängligt [3] , och kan också betraktas som en av de anaplerotiska reaktionerna i trikarboxylsyracykeln, som fyller på mängden succinat och malat [1] . Man tror att glyoxylatcykeln saknas hos djur (ett bekräftat undantag är nematoder i de tidiga stadierna av deras embryogenes ), men på senare år har nyckelenzymer i cykeln, malatsyntas och isocitratlyas [ [ 2] [4] , har hittats i vissa djurvävnader .

Enzymer och reaktioner i glyoxylatcykeln upptäcktes av Hans KornbergochHans Adolf Krebs[5].

Mekanism

I växter, vissa ryggradslösa djur och vissa mikroorganismer (inklusive bakterierna Escherichia coli och jäst ), kan acetat fungera som både en energikälla och en föregångare till fosfoenolpyruvat , som vidare används för kolhydratsyntes . I dessa organismer katalyserar enzymerna i glyoxylatcykeln omvandlingen av acetat till succinat:

2 Acetyl-CoA + NAD + + 2H2O → succinat + 2CoA + NADH + H + .

Under glyoxylatcykeln kombineras acetyl-CoA med oxaloacetat för att bilda citrat , och citrat omvandlas till isocitrat , som i trikarboxylsyracykeln. Nästa steg är dock inte uppdelningen av väte från isocitrat av enzymet isocitratdehydrogenas , utan uppdelningen av isocitrat till succinat och glyoxylat under inverkan av isocitratlyas . Mekanismen för denna aldolreaktion visas nedan:

Glyoxylat kondenserar sedan med en andra acetyl-CoA- molekyl för att bilda malat genom malatsyntas , och succinat lämnar cykeln. Malat oxideras ytterligare till oxaloacetat, som kan kombineras med en ny acetyl-CoA-molekyl och starta en ny cykeltur. Under varje varv av glyoxylatcykeln används två molekyler acetyl-CoA och en succinatmolekyl bildas som senare kan användas i biosyntetiska processer. Succinat kan omvandlas via fumarat och malat till oxaloacetat, som sedan kan omvandlas till fosfoenolpyruvat av fosfoenolpyruvat karboxykinas , och fosfoenolpyruvat ger glukos under glukoneogenesen . Hos djur uppstår inte glyoxylatcykeln, och därför kan de inte få glukos från lipider (acetyl-CoA bildas under β-oxidation av fettsyror ) [6] .

Funktioner i olika organismer

Växter

Hos växter finns enzymerna i glyoxylatcykeln i membranbundna organeller - glyoxisomer , som är specialiserade peroxisomer (namngivna enligt cykeln som förekommer i dem [7] ). Enzymer som samtidigt deltar i både trikarboxylsyracykeln och glyoxylatcykeln har två isoenzymer vardera, varav en är lokaliserad i mitokondrier och den andra i glyoxysomer. Glyoxysomer är inte ständigt närvarande i alla växtvävnader . De produceras i lipidrika frön under groning , innan den utvecklande växten själv kan producera glukos genom fotosyntes . Förutom enzymerna i glyoxylatcykeln innehåller glyoxisomer alla enzymer som är nödvändiga för nedbrytningen av fettsyror som lagras i frön. Acetyl-CoA, som bildas under β-oxidation av fettsyror, omvandlas till succinat under glyoxylatcykeln och succinat transporteras till mitokondrierna, där det är involverat i trikarboxylsyracykeln och omvandlas till malat. Det cytosoliska malatdehydrogenasisoenzymet oxiderar malat till oxaloacetat, som i sin tur kan omvandlas till fosfoenolpyruvat. Den senare är involverad i glukoneogenesen och producerar slutligen glukos. Ett groende frö kan alltså omvandla kol som lagrats i lipider till glukos [6] .

Svampar och mikroorganismer

Hos svampar är enzymerna i glyoxylatcykeln lokaliserade i peroxisomer. Hos vissa patogena svampar kan glyoxylatcykeln tjäna helt andra syften. Koncentrationen av två nyckelenzymer i cykeln - isocitratlyas och malatsyntas - ökar avsevärt när svampen kommer i kontakt med en person som denna svamp infekterar. Hos vissa arter av dessa svampar har mutanter som saknar isocitratlyas minskad virulens jämfört med vildtypen , vilket visats i studier på möss . Orsakerna till detta förhållande är för närvarande under utredning, men man kan dra slutsatsen att glyoxylatcykeln är nödvändig för att upprätthålla virulensen hos dessa patogener [8] .

Enligt de senaste uppgifterna, i växter och svampar, är enzymerna i glyoxylatcykeln lokaliserade inte bara inuti glyoxysomen: några av dem är utanför, så flödet av glyoxylatcykeln inkluderar transport av några av dess intermediärer genom peroxisommembranet [9] .

På grund av närvaron av glyoxylatcykeln kan vissa mikroorganismer växa i media som innehåller acetat eller fettsyror som den enda kolkällan [10] .

Djur

Det är allmänt accepterat att djur är oförmögna att utföra glyoxylatcykeln, eftersom det tills nyligen inte fanns några bevis för att de har två nyckelcykelenzymer, isocitratlyas och malatsyntas. Vissa studier visar dock att denna cykel förekommer hos vissa, om inte alla, ryggradsdjur [4] [11] . I synnerhet har vissa studier visat att komponenter i glyoxylatcykeln finns i stora mängder i kycklinglever . Dessa och liknande data tyder på att teoretiskt sett kan glyoxylatcykeln också utföras av mer komplext organiserade ryggradsdjur [12] . Andra studier ger bevis för att glyoxylatcykeln finns hos vissa insekter och marina ryggradslösa djur, såväl som nematoder (i det senare fallet är närvaron av glyoxylatcykeln tydligt bekräftad). Andra studier motbevisar dock sådana slutsatser [13] . Det finns inte heller någon konsensus om förekomsten av en cykel hos däggdjur : en studie indikerar till exempel att glyoxylatcykeln är aktiv hos björnar som sover [14] , men nyare studier ifrågasätter denna slutsats [15] . Å andra sidan har ingen gen identifierats i arvsmassan hos placenta däggdjur som skulle koda för isocitratlyas och malatsyntas, även om malatsyntas tydligen kan vara aktivt i icke-placentala däggdjur och andra ryggradsdjur [2] . Dessutom antas det att generna som kodar för dessa enzymer hos däggdjur är i form av pseudogener , det vill säga sådana gener är inte helt frånvarande hos däggdjur, utan är bara i ett "avstängt" tillstånd [2] . Det är möjligt att vitamin D är involverat i regleringen av glyoxylatcykeln hos ryggradsdjur [12] [16] .

Det finns emellertid fördelar med frånvaron av glyoxylatcykeln i däggdjursceller. Närvaron av glyoxylatcykeln i vissa patogena mikroorganismer och dess frånvaro hos människor gör det möjligt att skapa antibiotika som blockerar denna cykel: de skulle vara skadliga för mikroorganismer som är beroende av glyoxylatcykeln och samtidigt ofarliga för människor [3] .

Förordning

I groande frön sker enzymatiska transformationer av dikarboxyl- och trikarboxylsyror i tre intracellulära fack: mitokondrier, glyoxisomer och cytosol. Det sker ett konstant utbyte av metaboliter mellan dessa avdelningar (se extern bild) [17] .

Kolskelettet av oxaloacetat från trikarboxylsyracykeln (förekommer i mitokondrier) överförs till glyoxisomer i form av aspartat . Där omvandlas aspartat till oxaloacetat som kondenserar med acetyl-CoA som bildas vid oxidation av fettsyror. Det resulterande citratet under inverkan av akonitas omvandlas till isocitrat, som sedan sönderdelas till glyoxylat och succinat under inverkan av isocitratlyas. Succinat återvänder till mitokondrierna, där det är involverat i trikarboxylsyracykeln och omvandlas till malat, som överförs till cytoplasman och oxideras till oxaloacetat under verkan av cytosoliskt malatdehydrogenas. Under glukoneogenesen omvandlas oxaloacetat till hexoser och sackaros , som kan levereras till växande rötter och skott . Således är 4 olika biokemiska processer involverade i alla dessa omvandlingar: fettsyraoxidation till acetyl-CoA (i glyoxisomer), glyoxylatcykel (i glyoxisomer), trikarboxylsyracykel (i mitokondrier) och glukoneogenes (i cytosol) [17] .

Förekomsten av vanliga metaboliter i dessa processer kräver deras samordnade reglering. Den viktigaste av dessa föreningar är isocitrat, som fungerar som "punkten för divergens" för glyoxylatcykeln och trikarboxylsyracykeln. Isocitratdehydrogenas regleras av kovalenta modifieringar: ett specifikt proteinkinas fosforylerar det och inaktiverar det därigenom. Denna inaktivering gör att isocitrat inte längre deltar i trikarboxylsyracykeln och riktas till glyoxylatcykeln, där det blir en prekursor för glukossyntes. Fosfoproteinfosfatas tar bort fosforylgruppen från isocitratdehydrogenas, reaktiverar enzymet, och det mesta av isocitratet skickas till trikarboxylsyracykeln, där energi utvinns från det. De regulatoriska enzymatiska aktiviteterna av proteinkinas och fosfoproteinfosfatas utförs av en polypeptid [17] .

Vissa bakterier, inklusive E. coli , har en komplett uppsättning enzymer i glykosylat- och trikarboxylsyracykeln i cytosolen och kan därför växa på acetat som sin enda källa till kol och energi. Fosfoproteinfosfatas, som aktiverar isocitratdehydrogenas, stimuleras av intermediärer från trikarboxylsyracykeln och glykolys , som fungerar som indikatorer på att cellen är tillräckligt försörjd med energi. Samma metaboliter hämmar proteinkinasaktiviteten hos denna regulatoriska polypeptid. Därför aktiverar ackumuleringen av mellanprodukter från de centrala vägarna som förser cellen med energi, vilket indikerar brist på energi, isocitratdehydrogenas. När koncentrationen av dessa ämnen sjunker, vilket indikerar ett tillräckligt utbud av startprodukter från trikarboxylsyracykeln, inaktiveras isocitratdehydrogenas av proteinkinas [17] .

Samma föreningar av glykolys och trikarboxylsyracykeln som aktiverar isocitratdehydrogenas är allosteriska hämmare av isocitratlyas. När energimetabolismens hastighet är tillräckligt hög för att hålla koncentrationen av intermediärer i glyoxylatcykeln och trikarboxylsyracykeln låg, inaktiveras isocitratdehydrogenas, och hämningen av isocitratlyas upphör, och isocitrat är involverat i glyoxylatcykeln, där det kommer att användas för biosyntes av kolhydrater, aminosyror och andra cellulära komponenter [17] .

Bioteknik

För närvarande är bioingenjörer av stort intresse att introducera de metabola vägar i däggdjur som de naturligt saknar. En sådan väg som bioingenjörer har försökt införa i däggdjursceller har varit glyoxylatcykeln. Intresset för det orsakades av de ökande volymerna av fårull , som kräver en stor mängd glukos. Om det var möjligt att introducera denna cykel i får, skulle de enorma reserver av acetat som finns i cellerna användas för att producera glukos, och detta skulle i sin tur öka mängden fårull som erhålls [18] .

Två gener som krävs för glyoxylatcykeln isolerades och sekvenserades från E. coli DNA : AceA som kodar för isocitratlyas och AceB som kodar för malatsyntas [18] . Efter det kunde dessa gener framgångsrikt infogas i DNA från däggdjursvävnadsodlingsceller , där de skulle transkriberas och översättas till lämpliga enzymer utan att skada själva cellen, vilket gör det möjligt för glyoxylatcykeln att fortsätta. Det har dock visat sig svårt att introducera denna väg i transgena möss på detta sätt. Även om dessa gener uttrycktes i lever- och tunntarmsceller , var deras uttrycksnivå låg och instabil. För att lösa detta problem skulle det vara möjligt att sammansmälta dessa gener med promotorer för att öka deras uttrycksnivå och göra det möjligt i celler som epitelial [19] .

Men försök att introducera cykeln i mer komplext organiserade djur, i synnerhet får, har inte varit framgångsrika. Detta kan tyda på att en hög uttrycksnivå av glyoxylatcykelgenerna skulle leda till katastrofala konsekvenser för cellen. Terapeutisk kloning skulle möjligen kunna ge en viss fördel för införandet av glyoxylatcykeln i däggdjursceller , vilket skulle ge forskare möjlighet att testa den funktionella integrationen av cykelgenerna i genomet innan de introduceras direkt i kroppen [18] .

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 Netrusov A.I., Kotova I.B. Microbiology. - 4:e uppl., reviderad. och ytterligare .. - M . : Publishing Center "Academy", 2012. - S. 128. - 384 sid. - ISBN 978-5-7695-7979-0 .
  2. ↑ 1 2 3 4 Kondrashov FA , Koonin EV , Morgunov IG , Finogenova TV , Kondrashova MN Evolution av glyoxylatcykelenzymer i Metazoa: bevis på multipla horisontella överföringshändelser och pseudogenbildning.  (engelska)  // Biology direct. - 2006. - Vol. 1. - P. 31. - doi : 10.1186/1745-6150-1-31 . — PMID 17059607 .
  3. ↑ 1 2 Lorenz MC , Fink GR Liv och död i en makrofag: glyoxylatcykelns roll i virulens.  (engelska)  // Eukaryot cell. - 2002. - Vol. 1, nr. 5 . - s. 657-662. — PMID 12455685 .
  4. ↑ 1 2 Popov EA, Moskalev EA, Shevchenko MU, Eprintsev AT Jämförande analys av glyoxylatcykelns nyckelenzym isocitratlyas från organismer av olika systematiska grupper // Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. - 2005. - Vol. 41, nr 6 . - s. 631-639. - doi : 10.1007/s10893-006-0004-3 .
  5. ↑ Bryan A. Wilson, Jonathan C. Schisler, Monte S. Willis. Sir Hans Adolf Krebs: Arkitekt för metabola cykler  // LabMedicine. - 2010. - T. 41 . - S. 377-380 . - doi : 10.1309/LMZ5ZLAC85GFMGHU .  (inte tillgänglig länk)
  6. ↑ 12 Nelson , Cox, 2008 , sid. 638.
  7. ↑ Heldt, 2011 , sid. 315.
  8. ↑ Lorenz MC , Fink GR Glyoxylatcykeln krävs för svampvirulens.  (engelska)  // Nature. - 2001. - Vol. 412, nr. 6842 . - S. 83-86. - doi : 10.1038/35083594 . — PMID 11452311 .
  9. ↑ Kunze M. , Pracharoenwattana I. , Smith SM , Hartig A. En central roll för det peroxisomala membranet i glyoxylatcykelns funktion.  (engelska)  // Biochimica et biophysica acta. - 2006. - Vol. 1763, nr. 12 . - P. 1441-1452. - doi : 10.1016/j.bbamcr.2006.09.009 . — PMID 17055076 .
  10. ↑ Glyoxylatcykeln - artikel från Biological Encyclopedic Dictionary
  11. ↑ Davis WL , Goodman DB Bevis för glyoxylatcykeln i mänsklig lever.  (engelska)  // The Anatomical Record. - 1992. - Vol. 234, nr. 4 . - s. 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 Identifiering av glyoxylatcykelenzymer i kycklinglever - effekten av vitamin D3: cytokemi och biokemi.  (engelska)  // The Anatomical Record. - 1990. - Vol. 227, nr. 3 . - s. 271-284. - doi : 10.1002/ar.1092270302 . — PMID 2164796 .
  13. ↑ Storrey, Kenneth. Funktionell metabolism : reglering och anpassning  . - Hobocken, New Jersey: John Wiley and Sons, Inc., 2004. - S. 221-223. — ISBN 0-471-41090-X .
  14. ↑ Davis WL , Goodman DB , Crawford LA , Cooper OJ , Matthews JL Hibernation aktiverar glyoxylatcykeln och glukoneogenes i svart björns brun fettvävnad.  (engelska)  // Biochimica et biophysica acta. - 1990. - Vol. 1051, nr. 3 . - s. 276-278. — PMID 2310778 .
  15. ↑ Jones JD , Burnett P. , Zollman P. Glyoxylatcykeln: fungerar den i den vilande eller aktiva björnen?  (engelska)  // Jämförande biokemi och fysiologi. Del B, Biokemi & molekylärbiologi. - 1999. - Vol. 124, nr. 2 . - S. 177-179. — PMID 10584301 .
  16. ↑ Davis WL , Jones RG , Farmer GR , Cortinas E. , Matthews JL , Goodman DB . Glyoxylatcykeln i råttas epifysbrosk: effekten av vitamin-D3 på aktiviteten av enzymerna isocitratlyas och malatsyntas.  (engelska)  // Bone. - 1989. - Vol. 10, nr. 3 . - S. 201-206. — PMID 2553083 .
  17. ↑ 1 2 3 4 5 Nelson, Cox, 2008 , sid. 639.
  18. ↑ 1 2 3 Avdelning KA Transgenförmedlade modifieringar av djurbiokemi.  (engelska)  // Trender inom bioteknik. - 2000. - Vol. 18, nr. 3 . - S. 99-102. — PMID 10675896 .
  19. ↑ Ward KA , Nancarrow CD Gentekniken av produktionsegenskaper hos husdjur.  (engelska)  // Experientia. - 1991. - Vol. 47, nr. 9 . - s. 913-922. — PMID 1915775 .

Litteratur

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk