GLYOXYLATCYKLUS: EGENSKABER, REAKTIONER, REGULERING, FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

Den glyoxylat cyklus er en metabolisk vej til stede i planter, i nogle mikroorganismer og i hvirvelløse dyr (fraværende i alle hvirveldyr), hvorigennem disse organismer kan konvertere fedt til kulhydrater (sukker).

Denne rute blev opdaget i 1957, mens Kornberg, Krebs og Beevers forsøgte at belyse, hvordan bakterier som Escherichia coli kunne vokse i nærværelse af acetat som den eneste kulstofkilde, og hvordan spirende spirer af spurge (Ricinus communis) kunne omdanne fedt til kulhydrater.

Skematisk for glyoxylatcyklussen (Kilde: Agrotman via Wikimedia Commons)

Undersøgelser foretaget af disse tre forskere førte til opdagelsen af ​​to enzymer kendt som isocitratlyase og malatsynthase, som sammen med enzymerne i Krebs-cyklus tillader syntese af succinat fra to acetyl-coA-molekyler.

Det således producerede succinat omdannes til malat gennem tricarboxylsyrecyklussen og kan senere anvendes til produktion af glukose gennem gluconeogenese.

Denne vej forekommer i planter i specielle organeller kaldet glyoxysomer og er essentiel for overlevelse af frøplanter i de tidlige stadier af spiring.

egenskaber

Glyoxylat-vejen kan ses som en "modifikation" af Krebs-cyklussen med den forskel, at oxidativ dekarboxylering ikke forekommer i førstnævnte, men fire carbondicarboxylsyrer kan dannes ud fra acetat-enheder på to carbonatomer.

Denne egenskab ved glyoxylatcyklussen er blevet beskrevet som en måde, som nogle organismer skal undgå ("omgå") tabet af kulstofatomer i form af kuldioxid, der identificerer Krebs-cyklussen.

I planter forekommer glyoxylatcyklus inden for cytosoliske organeller omgivet af en simpel membran kendt som glyoxysomer. I andre organismer, såsom gær og alger, forekommer derimod denne rute i cytosolen.

Glyoxysomer ligner strukturelt peroxisomer (nogle forfattere betragter dem som "specialiserede peroxisomer"), andre organeller, der er ansvarlige for en del af ß-oxidationen af ​​fedtsyrer og eliminering af reaktive iltarter i eukaryote organismer.

Indvendigt oxideres fedtsyrerne for at producere acetyl-CoA, der derefter kondenseres til forbindelser med fire carbonatomer. Disse forbindelser transporteres selektivt til mitokondrierne, hvor de omdannes til malat eller transporteres til cytosol for at komme ind i den glukoneogene vej (glukosesyntese).

Enzymer, der deles mellem glyoxylatvejen og tricarboxylsyrecyklussen findes i mitochondria og glyoxysomet som isoenzymer, hvilket betyder, at begge veje fungerer mere eller mindre uafhængigt af hinanden.

Forekomst af glyoxysomer

Glyoxysomer findes ikke permanent i plantevæv. De er især rigelige under spiringen af ​​oliefrø, som har lidt fotosyntetisk kapacitet til at producere de kulhydrater, de har brug for for at vokse.

I fuldt udviklede planter er deres deltagelse i metabolismen af ​​fedtstoffer ikke så vigtig, da sukkerarter hovedsageligt opnås ved fotosyntesen.

Reaktioner

Acetat fra nedbrydning af fedtsyrer fungerer som et energirigt brændstof og som en kilde til phosphoenolpyruvat til syntese af glukose gennem glukoneogenese. Processen er som følger:

Trin i glyoxylatcyklussen

1- Glyoxylatvejen, der ligner den i Krebs-cyklussen, begynder med kondensation af et acetyl-CoA-molekyle med et andet af oxaloacetat for at give citrat, en reaktion katalyseret af enzymcitrat-syntasen.

2- Aconitase-enzymet omdanner dette citrat til isocitrat.

3 - Isocitrat anvendes som et substrat til enzymet isocitrat lyase til dannelse af forbindelserne succinat og glyoxylat.

Molekylstruktur af enzymet Isocitrat Liasa (Kilde: Vrabiochemhw via Wikimedia Commons)

4- glyoxylatet optages af enzymet malatsynthase for at producere malat gennem dets kondensation med et andet molekyle acetyl-CoA.

5- Malat omdannes til oxaloacetat af malatdehydrogenase, og denne forbindelse kan fungere som en forløber for den glukoneogene vej eller kondenseres med en anden acetyl-CoA for at genstarte cyklussen igen.

6- Det producerede succinat kan også omdannes til fumarat og dette til malat, hvilket giver en større mængde oxaloacetatmolekyler til dannelse af glukose. Ellers kan dette molekyle også eksporteres til mitokondrierne for at fungere i Krebs-cyklussen.

Oxaloacetat går ind i den glukoneogene vej til glukoseproduktion takket være dens omdannelse til phosphoenolpyruvat, som katalyseres af enzymet phosphoenolpyruvat-carboxykinase.

Regulering

Da glyoxylat- og tricarboxylsyrecyklusserne deler adskillige mellemprodukter med hinanden, er der en koordineret regulering mellem de to.

Derudover er det nødvendigt, at der findes kontrolmekanismer, da syntesen af ​​glukose og andre hexoser fra acetyl-CoA (fra nedbrydning af fedtstoffer) indebærer deltagelse af mindst fire ruter:

- ß-oxidation af fedtsyrer, der producerer de acetyl-CoA-molekyler, der er nødvendige til både glyoxylatcyklus og Krebs-cyklus, og som i planter finder sted i glyoxysomer.

- glyoxylatcyklussen, der også forekommer i glyoxysomer, og som som nævnt producerer mellemprodukter såsom succinat, malat og oxaloacetat.

- Krebs-cyklussen, der finder sted i mitokondrierne, og hvor mellemprodukterne succinerer, malat og oxaloacetat også produceres.

- Gluconeogenese, der forekommer i cytosol og involverer brugen af ​​oxaloacetat omdannet til phosphoenolpyruvat for at syntetisere glukose.

Det vigtigste kontrolpunkt er i enzymet isocitratdehydrogenase, hvis regulering involverer en kovalent modifikation ved at tilføje eller fjerne en phosphatgruppe.

Når enzymet er fosforyleret, inaktiveres det, så isocitratet ledes mod glyoxylatvejen til fremstilling af glukose.

Funktioner

For planter er glyoxylatcyklussen væsentlig, især under spiringsprocessen, da nedbrydningen af ​​de fedt, der er opbevaret i frøene, bruges til syntese af glukose i fotosyntetisk underudviklede væv.

Glucose anvendes som en kilde til opnåelse af energi i form af ATP eller til dannelse af mere komplekse kulhydrater med strukturelle funktioner, men nogle af mellemprodukterne, der genereres under glyoxylatvejen, kan også tjene syntesen af ​​andre cellulære komponenter.

I mikroorganismer

Den vigtigste funktion af glyoxylatcyklussen i mikroorganismer er at tilvejebringe en "alternativ" metabolisk vej, så mikroorganismer er i stand til at drage fordel af andre kilder til kulstof og energi til deres vækst.

Sådan er tilfældet med bakterien Escherichia coli, hvor niveauerne af nogle mellemprodukter i glycolyse og citronsyrecyklus falder (isocitrat, 3-phosphoglycerat, pyruvat, phosphoenolpyruvat og oxaloacetat), enzymet isocitrat dehydrogenase (som deltager i Krebs-cyklussen) hæmmes, og isocitrat dirigeres mod glyoxylatvejen.

Hvis denne vej er aktiv, når bakterierne for eksempel vokser i et medium rig på acetat, kan denne metabolit bruges til at syntetisere carboxylsyrer med fire carbonatomer, som senere kan føre til dannelse af energikolhydrater.

For andre organismer, såsom svampe, er for eksempel patogenicitet vist sig at være meget afhængig af tilstedeværelsen af ​​en aktiv glyoxylatcyklus, tilsyneladende af metaboliske årsager.

Referencer

1. Dey, P., & Harborne, J. (1977). Plantebiokemi. San Diego, Californien: Academic Press.
2. Ensign, SA (2006). Gennemgang af glyoxylatcyklussen: alternative veje til mikrobiel acetatassimilering. Molecular Microbiology, 61 (2), 274–276.
3. Garrett, R., & Grisham, C. (2010). Biokemi (4. udg.). Boston, USA: Brooks / Cole. CENGAGE Læring.
4. Lorenz, MC, & Fink, GR (2001). Glyoxylatcyklussen kræves for svampevirulens. Nature, 412, 83-86.
5. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biokemi (3. udg.). San Francisco, Californien: Pearson.
6. Rawn, JD (1998). Biokemi. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson forlag.
7. Vallarino, JG, & Osorio, S. (2019). Organiske syrer. I efterhøstsfysiologi og biokemi af frugt og grønsager (s. 207-224). Elsevier Inc.