CIKEL GIOKSILATA: ZNAČILNOSTI, REAKCIJE, REGULACIJA, FUNKCIJE - BIOLOGIJA - 2025

Glioksilat cikel je metabolična pot prisoten v rastlinah, v nekaterih mikroorganizmov in nevretenčarjev (odsotna v vsaki od vretenčarjev), skozi katero lahko ti organizmi pretvorbo maščob v ogljikove hidrate (sladkor).

To pot so odkrili leta 1957, medtem ko so Kornberg, Krebs in Beevers poskušali razjasniti, kako lahko bakterije, kot je Escherichia coli, rastejo v prisotnosti acetata kot edinega ogljikovega vira in kako kaljive sadike drevesa (Ricinus communis) lahko pretvorijo maščobe v ogljikovi hidrati.

Shema cikla glioksilata (Vir: Agrotman via Wikimedia Commons)

Študije teh treh raziskovalcev so privedle do odkritja dveh encimov, znanih kot izocitratna liza in malat sintaza, ki skupaj z encimi v Krebsovem ciklu omogočata sintezo sukcinata iz dveh molekul acetil-coA.

Tako proizveden sukcinat se skozi cikel trikarboksilne kisline pretvori v malat in ga lahko kasneje uporabimo za proizvodnjo glukoze s pomočjo glukoneogeneze.

Ta pot se pri rastlinah pojavlja v posebnih organelah, imenovanih glioksizomi, in je ključnega pomena za preživetje sadik v zgodnjih fazah kalitve.

značilnosti

Pot glioksilata je mogoče razumeti kot "modifikacijo" Krebsovega cikla, s to razliko, da v prejšnjem ne pride do oksidacijske dekarboksilacije, vendar lahko iz acetatnih enot dveh tvorimo štiri ogljikove dikarboksilne kisline ogljiki.

Ta značilnost cikla glioksilata je bila opisana kot način, da se morajo nekateri organizmi izogniti ("obiti") izgubi ogljikovih atomov v obliki ogljikovega dioksida, ki označuje Krebsov cikel.

V rastlinah se cikel glioksilata dogaja znotraj citosolnih organelov, obdanih s preprosto membrano, imenovano glioksizomi. Pri drugih organizmih, kot so kvasovke in alge, pa se ta pot pojavlja v citosolu.

Glioksizomi so strukturno podobni peroksisomom (nekateri avtorji jih ocenjujejo kot "specializirani peroksisomi"), drugi organeli, ki so odgovorni za del β-oksidacije maščobnih kislin in za izločanje reaktivnih kisikovih vrst v evkariontskih organizmih.

V notranjosti se maščobne kisline oksidirajo, da nastane acetil-CoA, ki se nato kondenzira v spojine s štirimi ogljikovimi atomi. Te spojine se selektivno transportirajo v mitohondrije, kjer se pretvorijo v malat ali prepeljejo v citosol, da vstopijo v glukoneogeno pot (sinteza glukoze).

Encimi, deljeni med potjo glioksilata in ciklom trikarboksilne kisline, obstajajo v mitohondrijih in glioksisomu kot izoencimi, kar pomeni, da obe poti delujeta bolj ali manj neodvisno drug od drugega.

Pojav glioksizomov

Glioksizomi niso stalno prisotni v rastlinskih tkivih. Posebej jih je obilice med kalitvijo oljnic, ki imajo malo fotosintetske sposobnosti za proizvodnjo ogljikovih hidratov, ki jih potrebujejo za rast.

V popolnoma razvitih rastlinah njihovo sodelovanje pri presnovi maščob ni tako nujno, saj se sladkorji pridobivajo predvsem s fotosintezo.

Reakcije

Acetat iz razpada maščobnih kislin deluje kot energijsko bogato gorivo in kot vir fosfoenolpiruvata za sintezo glukoze s pomočjo glukoneogeneze. Postopek je naslednji:

Koraki cikla glioksilata

1 - Pot glioksilata, podobna tisti iz Krebsovega cikla, se začne s kondenzacijo molekule acetil-CoA z drugo oksaloacetatom, da dobimo citrat, reakcijo, ki jo katalizira encim citrat sintaza.

2- Encim Aconitaza pretvori ta citrat v izocitrat.

3- Izocitrat se uporablja kot substrat za encim lizatno izocitratno lizo za tvorbo spojin sukcinata in glioksilata.

Molekularna zgradba encima Izocitrat Liasa (Vir: Vrabiochemhw via Wikimedia Commons)

4- Glioksilat prevzame encim malat sintaza, da z majhno molekulo acetil-CoA nastane malat s kondenzacijo.

5- Malat se z malat dehidrogenazo pretvori v oksaloacetat in ta spojina lahko služi kot predhodnik glukoneogene poti ali pa se kondenzira z drugim acetil-CoA, da cikel znova zažene.

6- Proizvedeni sukcinat se lahko pretvori v fumarat in ta v malat, tako da nastane večja količina molekul oksaloacetata za tvorbo glukoze. V nasprotnem primeru se ta molekula lahko izvozi tudi v mitohondrije, da deluje v Krebsovem ciklu.

Oksaloacetat vstopi v glukoneogeno pot za proizvodnjo glukoze zahvaljujoč pretvorbi v fosfoenolpiruvat, ki ga katalizira encim fosfoenolpiruvat karboksikinaza.

Uredba

Ker cikla glikoksilata in trikarboksilne kisline medsebojno delita številne vmesne snovi, obstaja med njima usklajena ureditev.

Poleg tega je potrebno, da obstajajo nadzorni mehanizmi, saj sinteza glukoze in drugih heksoz iz acetil-CoA (zaradi razgradnje maščob) vključuje sodelovanje vsaj štirih poti:

- β-oksidacija maščobnih kislin, ki proizvajajo molekule acetil-CoA, potrebne za cikel glioksilata in Krebsov cikel in ki se pri rastlinah odvijajo v glioksisomih.

- Cikel glikoksilata, ki se pojavlja tudi v glioksisomih in ki, kot rečeno, proizvaja intermedirate, kot so sukcinat, malat in oksaloacetat.

- Krebsov cikel, ki poteka v mitohondrijih in v katerem nastajajo tudi intermediati sukcinat, malat in oksaloacetat.

- Glukoneogeneza, ki se pojavi v citosolu in vključuje uporabo oksaloacetata, pretvorjenega v fosfoenolpiruvat, za sintezo glukoze.

Glavna kontrolna točka je encimska izocitrat dehidrogenaza, katere regulacija vključuje kovalentno spremembo z dodajanjem ali odstranjevanjem fosfatne skupine.

Ko se encim fosforilira, se inaktivira, zato je izocitrat usmerjen proti glioksilatni poti za proizvodnjo glukoze.

Lastnosti

Za rastline je cikel glikoksilata bistvenega pomena, zlasti med postopkom kalitve, saj razgradnja maščob, shranjenih v semenih, služi za sintezo glukoze v fotosintetično nerazvitih tkivih.

Glukoza se uporablja kot vir za pridobivanje energije v obliki ATP ali za tvorbo bolj zapletenih ogljikovih hidratov s strukturnimi funkcijami, vendar lahko nekateri vmesni snovi, ki nastanejo v glioksilatni poti, služijo tudi sintezi drugih celičnih komponent.

V mikroorganizmih

Glavna funkcija cikla glioksilata v mikroorganizmih je zagotavljanje "alternativne" presnovne poti, tako da lahko mikroorganizmi izkoristijo druge vire ogljika in energije za svojo rast.

Tak primer je bakterija Escherichia coli, pri kateri se ob znižanju ravni nekaterih intermediatov glikolize in cikla citronske kisline (izocitrat, 3-fosfoglicerat, piruvat, fosfoenolpiruvat in oksaloacetat) encim izocitrat dehidrogenaza (ki sodeluje v Krebsovem ciklu) je inhibiran in izocitrat usmerjen proti glioksilatni poti.

Če je ta pot aktivna, ko bakterije rastejo v mediju, bogatem z acetatom, lahko ta presnovek uporabimo za sintezo karboksilnih kislin s štirimi ogljikovimi atomi, kar lahko kasneje privede do tvorbe energijskih ogljikovih hidratov .

Na primer, za druge organizme, kot so glive, se je pokazalo, da je patogenost močno odvisna od prisotnosti aktivnega cikla glioksilata, očitno zaradi presnovnih razlogov.

Reference

1. Dey, P., & Harborne, J. (1977). Biokemija rastlin. San Diego, Kalifornija: Academic Press.
2. Ensign, SA (2006). Ponovni pregled cikla glioksilata: nadomestne poti za asimilacijo mikrobiocetatov. Molekularna mikrobiologija, 61 (2), 274–276.
3. Garrett, R., in Grisham, C. (2010). Biokemija (4. izd.). Boston, ZDA: Brooks / Cole. CENGAGE Učenje.
4. Lorenz, MC, & Fink, GR (2001). Cikel glioksilata je potreben za glivično virulenco. Narava, 412, 83–86.
5. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biokemija (3. izd.). San Francisco, Kalifornija: Pearson.
6. Rawn, JD (1998). Biokemija. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
7. Vallarino, JG, & Osorio, S. (2019). Organske kisline. V postharvesni fiziologiji in biokemiji sadja in zelenjave (str. 207-224). Elsevier Inc.