ГЛИОКСИЛАТЕН ЦИКЪЛ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, РЕАКЦИИ, РЕГУЛИРАНЕ, ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В цикъл глиоксилат е метаболитен път присъства в растенията, в някои микроорганизми и в безгръбначни животни (отсъства във всички гръбначни животни), чрез които тези организми могат да преобразуват мазнини в въглехидрати (захари).

Този път е открит през 1957 г., докато Корнберг, Кребс и Бийвърс се опитват да изяснят как бактерии като ешерихия коли могат да растат в присъствието на ацетат като единствен източник на въглерод и как покълналият разсад на шпорите (Ricinus communis) може да превърне мазнините в въглехидрати.

Схема на цикъла на глиоксилат (Източник: Agrotman чрез Wikimedia Commons)

Проучванията на тези трима изследователи доведоха до откриването на два ензима, известни като изоцитратна лиаза и малат синтаза, които заедно с ензимите от цикъла на Кребс позволяват синтеза на сукцинат от две молекули на ацетил-соА.

Така полученият сукцинат се превръща в малат през цикъла на трикарбоксилната киселина и по-късно може да се използва за производството на глюкоза чрез глюконеогенеза.

Този път се среща при растенията в специални органели, наречени глиоксизоми и е от съществено значение за оцеляването на разсада в ранните етапи на покълване.

характеристики

Глиоксилатният път може да се разглежда като "модификация" на цикъла на Кребс, с разликата, че окислителното декарбоксилиране не се случва в предишния, но четири-въглеродните дикарбоксилни киселини могат да се образуват от ацетатни единици от две въглерода.

Тази характеристика на глиоксилатния цикъл е описана като начин, по който някои организми трябва да избягват („заобикалят“) загубата на въглеродни атоми под формата на въглероден диоксид, който идентифицира цикъла на Кребс.

В растенията глиоксилатният цикъл протича в цитозолните органели, заобиколени от обикновена мембрана, известна като глиоксизоми. При други организми като дрожди и водорасли, от друга страна, този път се среща в цитозола.

Глиоксизомите са структурно подобни на пероксизомите (някои автори ги смятат за „специализирани пероксизоми“), други органели, отговорни за част от β-окисляването на мастните киселини и елиминирането на реактивните видове кислород в еукариотичните организми.

Вътре мастните киселини се окисляват до получаване на ацетил-КоА, който впоследствие се кондензира в съединения с четири въглеродни атома. Тези съединения селективно се транспортират до митохондриите, където се превръщат в малат или се транспортират до цитозола, за да влязат в глюконеогенния път (синтез на глюкоза).

Ензимите, споделени между пътя на глиоксилат и цикъла на трикарбоксилната киселина, съществуват в митохондриите и глиоксисом като изоензими, което означава, че и двата пътя работят повече или по-малко независимо един от друг.

Възникване на глиоксизоми

Глиоксизомите не присъстват трайно в растителните тъкани. Те са особено обилни по време на покълването на маслодайните семена, които имат малка фотосинтетична способност да произвеждат въглехидратите, необходими за отглеждането им.

В напълно развити растения тяхното участие в метаболизма на мазнините не е толкова съществено, тъй като захарите се получават главно чрез фотосинтеза.

реакции

Ацетатът от разграждането на мастните киселини функционира като богато на енергия гориво и като източник на фосфоенолпируват за синтеза на глюкоза чрез глюконеогенеза. Процесът е следният:

Стъпки от цикъла на глиоксилат

1 - Глиоксилатният път, подобен на този на цикъла на Кребс, започва с кондензацията на ацетил-CoA молекула с друг оксалоацетат за получаване на цитрат, реакция, катализирана от ензима цитрат синтаза.

2- Ензимът Аконитаза превръща този цитрат в изоцитрат.

3- Изоцитратът се използва като субстрат за ензимния изоцитратен лиаза за образуване на съединенията сукцинат и глиоксилат.

Молекулна структура на ензима Изоцитрат Лиаса (Източник: Vrabiochemhw чрез Wikimedia Commons)

4- Глиоксилатът се поема от ензима малат синтаза за получаване на малат чрез кондензацията му с втора молекула ацетил-КоА.

5- Малат се превръща в оксалоацетат чрез малат дехидрогеназа и това съединение може да служи като прекурсор на глюконеогенния път или да се кондензира с друг ацетил-КоА, за да се стартира отново цикълът.

6- Полученият сукцинат също може да се превърне в фумарат и това в малат, осигурявайки по-голямо количество оксалоацетатни молекули за образуване на глюкоза. В противен случай тази молекула може да се изнесе и в митохондриите, за да функционира в цикъла на Кребс.

Оксалоацетатът влиза в глюконеогенния път за производството на глюкоза благодарение на превръщането му във фосфоенолпируват, който се катализира от ензима фосфоенолпируват карбоксикиназа.

регулиране

Тъй като цикли на глиоксилат и трикарбоксилна киселина споделят много междинни съединения помежду си, има координирана регулация между двете.

Освен това е необходимо да съществуват механизми за контрол, тъй като синтезът на глюкоза и други хексози от ацетил-КоА (от разграждането на мазнините) предполага участието на поне четири пътя:

- β-окисляването на мастни киселини, които произвеждат ацетил-CoA молекули, необходими както за глиоксилатния цикъл, така и за цикъла на Кребс, и това в растенията се осъществява в глиоксизоми.

- Цикълът на глиоксилат, който също се среща в глиоксизомите и който, както беше споменато, произвежда междинни продукти като сукцинат, малат и оксалоацетат.

- Цикъл на Кребс, който се осъществява в митохондриите и в който се получават също междинните съединения сукцинат, малат и оксалоацетат.

- Глюконеогенеза, която се проявява в цитозола и включва използването на оксалоацетат, превърнат във фосфоенолпируват, за синтезиране на глюкоза.

Основната контролна точка е в ензимната изоцитрат дехидрогеназа, чието регулиране включва ковалентна модификация чрез добавяне или отстраняване на фосфатна група.

Когато ензимът е фосфорилиран, той се инактивира, така че изоцитратът се насочва към пътя на глиоксилат за производството на глюкоза.

Характеристика

За растенията гликоксилатният цикъл е от съществено значение, особено по време на процеса на покълване, тъй като разграждането на мазнините, съхранявани в семената, се използва за синтеза на глюкоза във фотосинтетично недоразвити тъкани.

Глюкозата се използва като източник за получаване на енергия под формата на АТФ или за образуването на по-сложни въглехидрати със структурни функции, но някои от междинните съединения, генерирани по време на пътя на глиоксилат, могат да служат и за синтеза на други клетъчни компоненти.

В микроорганизмите

Основната функция на глиоксилатния цикъл в микроорганизмите е да осигури "алтернативен" метаболитен път, така че микроорганизмите да могат да се възползват от други източници на въглерод и енергия за своя растеж.

Такъв е случаят с бактерията Escherichia coli, при която, когато нивата на някои междинни продукти на гликолиза и цикъла на лимонената киселина намаляват (изоцитрат, 3-фосфоглицерат, пируват, фосфоенолпируват и оксалоацетат), ензимната изоцитрат дехидрогеназа (която участва в цикъла на Кребс) се инхибира и изоцитратът се насочва към пътя на глиоксилат.

Ако този път е активен, когато бактериите растат в среда, богата на ацетат, този метаболит може да бъде използван за синтезиране на карбоксилни киселини с четири въглеродни атома, които по-късно могат да доведат до образуването на енергийни въглехидрати, За други организми като гъбички, например, показано, че патогенността е силно зависима от наличието на активен глиоксилатен цикъл, очевидно поради метаболитни причини.

Препратки

1. Dey, P., & Harborne, J. (1977). Растителна биохимия. Сан Диего, Калифорния: Academic Press.
2. Ensign, SA (2006). Преразглеждане на цикъла на глиоксилат: алтернативни пътища за асимилация на микробен ацетат. Молекулярна микробиология, 61 (2), 274–276.
3. Garrett, R., & Grisham, C. (2010). Биохимия (4-то изд.). Бостън, САЩ: Брукс / Коул. CENGAGE Обучение.
4. Lorenz, MC, & Fink, GR (2001). Глиоксилатният цикъл е необходим за гъбична вирулентност. Природа, 412, 83-86.
5. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Биохимия (3-то издание). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.
6. Rawn, JD (1998). Биохимия. Бърлингтън, Масачузетс: Нийл Патерсън Издатели.
7. Vallarino, JG, & Osorio, S. (2019). Органични киселини. В „Физиология и биохимия на плодовете и зеленчуците след след прибиране на реколтата“ (стр. 207-224). Elsevier Inc.