GLYOXYLÁTOVÝ CYKLUS: CHARAKTERISTIKA, REAKCIE, REGULÁCIA, FUNKCIE - BIOLÓGIE - 2026

Glyoxylátový cyklus je metabolická cesta prítomné v rastlinách, v niektorých mikroorganizmov a bezstavovcov živočíchov (chýba vo všetkých stavovcov), prostredníctvom ktorého môžu tieto organizmy premeniť tuky na sacharidy (cukry).

Táto cesta bola objavená v roku 1957, zatiaľ čo Kornberg, Krebs a Beevers sa snažili objasniť, ako by baktérie, ako je Escherichia coli, mohli rásť v prítomnosti acetátu ako jediného zdroja uhlíka a ako by klíčiace semenáčiky výhonkov (Ricinus communis) mohli premieňať tuky na sacharidy.

Schéma glyoxylátového cyklu (Zdroj: Agrotman prostredníctvom Wikimedia Commons)

Štúdie týchto troch vedcov viedli k objavu dvoch enzýmov známych ako izocitrát lyáza a malát syntáza, ktoré spolu s enzýmami Krebsovho cyklu umožňujú syntézu sukcinátu z dvoch molekúl acetyl-coA.

Takto vyrobený sukcinát sa konvertuje na malát v cykle kyseliny trikarboxylovej a neskôr sa môže použiť na výrobu glukózy glukoneogenézou.

Táto cesta sa vyskytuje v rastlinách v špeciálnych organelách nazývaných glyoxysómy a je nevyhnutná na prežitie sadeníc v skorých štádiách klíčenia.

vlastnosti

Glyoxylátová dráha sa môže vnímať ako „modifikácia“ Krebsovho cyklu s tým rozdielom, že v prvom prípade nenastáva oxidačná dekarboxylácia, ale z acetátových jednotiek dvoch sa môžu tvoriť štyri dikarboxylové kyseliny uhlíka uhlíky.

Táto charakteristika glyoxylátového cyklu bola opísaná ako spôsob, ktorým sa niektoré organizmy musia vyhnúť („obtoku“) strate atómov uhlíka vo forme oxidu uhličitého, ktorý identifikuje Krebsov cyklus.

V rastlinách sa glyoxylátový cyklus vyskytuje v cytosolických organelách obklopených jednoduchou membránou známou ako glyoxysómy. Na druhej strane u iných organizmov, ako sú kvasinky a riasy, sa táto cesta vyskytuje v cytosole.

Glyoxysómy sú štrukturálne podobné peroxizómom (niektorí autori ich považujú za „špecializované peroxizómy“), iné organely zodpovedné za časť β-oxidácie mastných kyselín a elimináciu reaktívnych kyslíkových druhov v eukaryotických organizmoch.

Mastné kyseliny sa oxidujú za vzniku acetyl-CoA, ktorý sa následne kondenzuje na zlúčeniny so štyrmi atómami uhlíka. Tieto zlúčeniny sa selektívne transportujú do mitochondrií, kde sa prevádzajú na malát alebo sa transportujú do cytosolu a vstupujú do glukoneogénnej dráhy (syntéza glukózy).

Enzýmy zdieľané medzi glyoxylátovou cestou a cyklom trikarboxylovej kyseliny existujú v mitochondriách a glyoxysome ako izoenzýmy, čo znamená, že obe dráhy fungujú viac-menej nezávisle od seba.

Výskyt glyoxysómov

Glyoxysómy nie sú trvalo prítomné v rastlinných tkanivách. Obzvlášť sa vyskytujú pri klíčení olejnatých semien, ktoré majú malú fotosyntetickú kapacitu na výrobu uhľohydrátov, ktoré potrebujú na rast.

V plne rozvinutých rastlinách nie je ich účasť na metabolizme tukov taká nevyhnutná, pretože cukry sa získavajú hlavne fotosyntézou.

reakcie

Acetát z rozkladu mastných kyselín funguje ako palivo bohaté na energiu a ako zdroj fosfoenolpyruvátu na syntézu glukózy prostredníctvom glukoneogenézy. Postup je nasledovný:

Kroky glyoxylátového cyklu

1 - Glyoxylátová cesta, podobná Krebsovmu cyklu, začína kondenzáciou molekuly acetyl-CoA s ďalšou oxaloacetátom za vzniku citrátu, čo je reakcia katalyzovaná enzýmom citrát syntáza.

2- Enzým Aconitase prevádza tento citrát na izocitrát.

3-izocitrát sa používa ako substrát pre enzým izocitrát lyázu za vzniku zlúčenín sukcinátu a glyoxylátu.

Molekulárna štruktúra enzýmu Isocitrate Liasa (Zdroj: Vrabiochemhw prostredníctvom Wikimedia Commons)

4 - Glyoxylát sa absorbuje enzýmom malát syntáza, aby jeho malát vznikol kondenzáciou s druhou molekulou acetyl-CoA.

5-Malát sa konvertuje na oxaloacetát malátdehydrogenázou a táto zlúčenina môže slúžiť ako prekurzor pre glukoneogénnu cestu alebo sa môže kondenzovať s iným acetyl-CoA na opätovné spustenie cyklu.

6 Produkovaný sukcinát sa môže tiež previesť na fumarát a na malát, čím sa získa väčšie množstvo molekúl oxaloacetátu na tvorbu glukózy. Inak môže byť táto molekula tiež exportovaná do mitochondrií, aby fungovala v Krebsovom cykle.

Oxaloacetát vstupuje do glukoneogénnej dráhy pre produkciu glukózy vďaka svojej premene na fosfoenolpyruvát, ktorý je katalyzovaný enzýmom fosfoenolpyruvát karboxykináza.

predpis

Pretože cykly glyoxylátu a kyseliny trikarboxylovej majú spoločné množstvo medziproduktov, existuje medzi nimi koordinovaná regulácia.

Okrem toho je potrebné, aby existovali kontrolné mechanizmy, pretože syntéza glukózy a iných hexóz z acetyl-CoA (z degradácie tukov) vyžaduje účasť najmenej štyroch ciest:

- β-oxidácia mastných kyselín, ktoré produkujú molekuly acetyl-CoA potrebné pre cyklus glyoxylátu aj pre Krebsov cyklus, a ktorá sa v rastlinách uskutočňuje v glyoxyzómoch.

- Glyoxylátový cyklus, ktorý sa vyskytuje aj v glyoxysómoch a ktorý, ako je uvedené, vytvára medziprodukty, ako je sukcinát, malát a oxaloacetát.

- Krebsov cyklus, ktorý prebieha v mitochondriách a v ktorom sa vyrábajú aj medziprodukty sukcinát, malát a oxaloacetát.

- Glukoneogenéza, ktorá sa vyskytuje v cytosole a vyžaduje použitie oxaloacetátu konvertovaného na fosfoenolpyruvát na syntézu glukózy.

Hlavným kontrolným bodom je enzým izocitrátdehydrogenáza, ktorej regulácia zahŕňa kovalentnú modifikáciu pridaním alebo odstránením fosfátovej skupiny.

Keď je enzým fosforylovaný, je inaktivovaný, takže izocitrát je smerovaný k glyoxylátovej ceste za účelom produkcie glukózy.

Vlastnosti

Pre rastliny je glyoxylátový cyklus nevyhnutný, najmä počas procesu klíčenia, pretože degradácia tukov uložených v semenách sa používa na syntézu glukózy vo fotosynteticky nerozvinutých tkanivách.

Glukóza sa používa ako zdroj na získavanie energie vo forme ATP alebo na tvorbu komplexnejších uhľohydrátov so štruktúrnymi funkciami, ale niektoré medziprodukty generované počas glyoxylátovej dráhy môžu tiež slúžiť na syntézu ďalších bunkových zložiek.

V mikroorganizmoch

Hlavnou funkciou glyoxylátového cyklu v mikroorganizmoch je poskytnúť „alternatívnu“ metabolickú cestu, aby mikroorganizmy mohli na svoj rast využiť iné zdroje uhlíka a energie.

Tak je to v prípade baktérie Escherichia coli, pri ktorej sa pri poklese hladín niektorých medziproduktov glykolýzy a cyklu kyseliny citrónovej (izocitrát, 3-fosfoglycerát, pyruvát, fosfoenolpyruvát a oxaloacetát) enzým izocitrát dehydrogenáza (ktorý sa podieľa na Krebsovom cykle) a inhibuje sa izocitrát smerom k glyoxylátovej ceste.

Ak je táto cesta aktívna, keď baktérie rastú napríklad v médiu bohatom na acetát, môže sa tento metabolit použiť na syntézu karboxylových kyselín so štyrmi atómami uhlíka, čo môže neskôr viesť k tvorbe energetických uhľohydrátov. ,

Ukázalo sa, že pri iných organizmoch, ako sú napríklad huby, patogenicita vysoko závisí od prítomnosti aktívneho glyoxylátového cyklu, zjavne z metabolických dôvodov.

Referencie

1. Dey, P., & Harborne, J. (1977). Plant Biochemistry. San Diego, Kalifornia: Academic Press.
2. Ensign, SA (2006). Revízia glyoxylátového cyklu: alternatívne cesty pre asimiláciu mikrobiálneho acetátu. Molecular Microbiology, 61 (2), 274-276.
3. Garrett, R. a Grisham, C. (2010). Biochemistry (4. vydanie). Boston, USA: Brooks / Cole. CENGAGE Learning.
4. Lorenz, MC, a Fink, GR (2001). Glyoxylátový cyklus je potrebný na fungálnu virulenciu. Náture, 412, 83-86.
5. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biochemistry (3. vydanie). San Francisco, Kalifornia: Pearson.
6. Rawn, JD (1998). Biochémie. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
7. Vallarino, JG a Osorio, S. (2019). Organické kyseliny. V postharvestovej fyziológii a biochémii ovocia a zeleniny (s. 207–224). Elsevier Inc.