Войти
Обзор цикла глиоксилата Цикл глиоксилата, разновидность трикарбоновой кислоты цикл - это анаболический путь, встречающийся у растений, бактерий, простейших и грибов. Цикл глиоксилата основан на превращении ацетил-CoA в сукцинат для синтеза углеводов. В микроорганизмах глиоксилатный цикл позволяет клеткам использовать два атома углерода (соединения C2), такие как ацетат, для удовлетворения клеточных потребностей в углероде, когда простые сахара, такие как глюкоза или фруктоза, недоступны. Обычно предполагается, что цикл отсутствует у животных, за исключением нематод на ранних стадиях эмбриогенеза. Однако в последние годы обнаружение малатсинтазы (MS) и изоцитратлиазы (ICL), ключевых ферментов, участвующих в глиоксилатном цикле, в некоторых тканях животных подняло вопросы относительно эволюционная взаимосвязь ферментов у бактерий и животных и предполагает, что животные кодируют альтернативные ферменты цикла, функции которых отличаются от известных MS и ICL у неметазоа.
Растения, а также некоторые водоросли и бактерии могут использовать ацетат в качестве источника углерода для производства углеродных соединений. Растения и бактерии используют модификацию цикла TCA, называемую глиоксилатным циклом, для производства четырех углекислых карбоновых кислот из двух углеродных ацетатных единиц. Глиоксилатный цикл обходит два окислительных декарбоксилирования цикла TCA и напрямую превращает изоцитрат через изоцитратлиазу и малатсинтазу в малат и сукцинат.
В глиоксилатном цикле используются пять из восьми ферментов, связанных с циклом трикарбоновой кислоты : цитратсинтаза, аконитаза, сукцинатдегидрогеназа, фумараза и малатдегидрогеназа. Эти два цикла отличаются тем, что в глиоксилатном цикле изоцитрат превращается в глиоксилат и сукцинат с помощью изоцитратлиазы (ICL) вместо α-кетоглутарата. Это позволяет обойти этапы декарбоксилирования, которые происходят в цикле лимонной кислоты (цикл TCA), что позволяет использовать простые углеродные соединения в более позднем синтезе макромолекул, включая глюкозу. Глиоксилат впоследствии объединяется с ацетилом. -CoA для получения малата, катализируемого малатсинтазой. Малат также образуется параллельно из сукцината под действием сукцинатдегидрогеназы и фумаразы.
Жирные кислоты из липидов обычно используются позвоночными в качестве источника энергии, поскольку жирные кислоты разлагаются посредством бета-окисления до ацетата молекулы. Этот ацетат, связанный с активной тиольной группой кофермента A, входит в цикл лимонной кислоты (цикл TCA), где он полностью окисляется до двуокиси углерода. Таким образом, этот путь позволяет клеткам получать энергию из жира. Чтобы использовать ацетат из жира для биосинтеза углеводов, используется цикл глиоксилата, начальные реакции которого идентичны циклу TCA.
Организмам, содержащим клеточную стенку, таким как растения, грибы и бактерии, требуется очень большое количество углеводов во время роста для биосинтеза сложных структурных полисахаридов, таких как целлюлоза, глюканы и хитин. В этих организмах в отсутствие доступных углеводов (например, в определенных микробных средах или во время прорастания семян у растений) глиоксилатный цикл позволяет синтезировать глюкозу из липидов через ацетат, образующийся в жирных кислотах β- окисление.
Цикл глиоксилата обходит стадии цикла лимонной кислоты, на которых углерод теряется в форме CO 2. Две начальные стадии глиоксилатного цикла идентичны таковым в цикле лимонной кислоты: ацетат → цитрат → изоцитрат. На следующем этапе, катализируемый первым ферментом глиоксилатного цикла, изоцитратлиазой, изоцитрат подвергается расщеплению на сукцинат и глиоксилат (последний дает циклу название). Глиоксилат конденсируется с ацетил-КоА (стадия, катализируемая малатсинтазой ), давая малат. И малат, и оксалоацетат могут быть преобразованы в фосфоенолпируват, который является продуктом фосфоенолпируваткарбоксикиназы, первого фермента в глюконеогенезе.. Таким образом, чистым результатом глиоксилатного цикла является производство глюкозы из жирных кислот. Сукцинат, образующийся на первом этапе, может войти в цикл лимонной кислоты с образованием оксалоацетата.
В растениях глиоксилат цикл происходит в специальных пероксисомах, которые называются глиоксисомами. Этот цикл позволяет семенам использовать липиды в качестве источника энергии для формирования побегов во время прорастания. Семя не может производить биомассу с помощью фотосинтеза из-за отсутствия органа, выполняющего эту функцию. Липидные запасы прорастающих семян используются для образования углеводов, которые способствуют росту и развитию организма.
Глиоксилатный цикл также может обеспечивать растения другим аспектом метаболического разнообразия. Этот цикл позволяет растениям принимать ацетат как источник углерода и как источник энергии. Ацетат превращается в ацетил-КоА (аналогично циклу TCA). Этот ацетил-КоА может проходить через цикл глиоксилата, и некоторое количество сукцината высвобождается во время цикла. Молекула четырехуглеродного сукцината может быть преобразована в различные углеводы посредством сочетания других метаболических процессов; растение может синтезировать молекулы, используя ацетат в качестве источника углерода. Ацетил-КоА также может реагировать с глиоксилатом с образованием некоторого количества НАДФН из НАДФ +, который используется для управления синтезом энергии в форме АТФ позже в цепи переноса электронов.
Глиоксилатный цикл может служить совершенно другой цели у некоторых видов патогенных грибов. Уровни основных ферментов глиоксилатного цикла, ICL и MS, значительно повышаются при контакте с человеком-хозяином. Мутанты определенного вида грибов, у которых отсутствовала ICL, также были значительно менее вирулентными в исследованиях на мышах по сравнению с диким типом. Точная связь между этими двумя наблюдениями все еще исследуется, но можно сделать вывод, что глиоксилатный цикл является важным фактором в патогенезе этих микробов.
Когда-то считалось, что позвоночные не могут выполнять этот цикл, потому что не было доказательств наличия двух ключевых ферментов, изоцитратлиазы и малатсинтазы. Однако некоторые исследования показывают, что этот путь может существовать у некоторых, если не у всех, позвоночных. В частности, некоторые исследования показывают доказательства того, что компоненты цикла глиоксилата присутствуют в значительных количествах в ткани печени цыплят. Подобные данные подтверждают идею о том, что цикл теоретически может возникать даже у самых сложных позвоночных. Другие эксперименты также предоставили доказательства того, что цикл присутствует у определенных видов насекомых и морских беспозвоночных, а также убедительные доказательства наличия цикла у видов нематод. Однако другие эксперименты опровергают это утверждение. Некоторые публикации противоречат наличию цикла у млекопитающих : например, в одной статье утверждается, что цикл глиоксилата активен у медведей, находящихся в спячке, но это сообщение было оспорено в более поздней статье. Существуют доказательства активности малатсинтазы у людей из-за двойной функциональной малат / B-метилмалатсинтазы митохондриального происхождения, называемой CLYBL, экспрессирующейся в буром жире и почках. Витамин D может регулировать этот путь у позвоночных.
Из-за центральной роли цикла глиоксилата в метаболизме патогенных видов, включая грибки и бактерии, ферменты глиоксилатного цикла в настоящее время являются мишенями ингибирования для лечения заболеваний. Большинство зарегистрированных ингибиторов глиоксилатного цикла нацелены на первый фермент цикла (ICL). Сообщалось об ингибиторах Candida albicans для потенциального использования в качестве противогрибковых средств. Микобактериальный глиоксилатный цикл также нацелен на потенциальное лечение туберкулеза.
Перспектива разработки различных метаболических путей в млекопитающих, которые не владеть ими - тема, которая сегодня очень интересна биоинженерам. Глиоксилатный цикл - один из путей, которым инженеры пытались управлять в клетках млекопитающих. Это в первую очередь представляет интерес для инженеров, так как они увеличивают производство шерсти у овец, которое ограничено доступом к запасам глюкозы. Путем введения этого пути в овцу большие запасы ацетата в клетках могут быть использованы для синтеза глюкозы в течение цикла, что позволяет увеличить производство шерсти. Млекопитающие неспособны выполнять путь из-за отсутствия двух ферментов, изоцитратлиазы и малатсинтазы, которые необходимы для того, чтобы цикл имел место. Некоторые считают, что гены, продуцирующие эти ферменты, однако, являются псевдогенными у млекопитающих, что означает, что ген не обязательно отсутствует, скорее, он просто «выключен»
Чтобы сконструировать путь в клетки, гены, ответственные за кодирование ферментов, должны быть изолированы и секвенированы, что было сделано с использованием бактерии E.coli, от которой ген AceA, ответственный за кодирование изоцитратлиазы и ген AceB, ответственный за кодирование малат синтазы, были секвенированы. Инженеры смогли успешно встроить гены AceA и AceB в клетки млекопитающих в культуре, и клетки успешно транслировали и транскрибировали гены в соответствующие ферменты, доказывая, что гены могут быть успешно включены в ДНК клетки без нарушения функциональности. или здоровье клетки. Тем не менее, инженеры столкнулись с трудностями при разработке этого пути в трансгенных мышах. Хотя ДНК экспрессируется в некоторых тканях, включая печень и тонкий кишечник у подопытных животных, уровень экспрессии невысок и не считается статистически значимым. Чтобы успешно спроектировать этот путь, инженеры должны были бы объединить ген с промоторами, которые можно было бы регулировать, чтобы повысить уровень экспрессии, и получить экспрессию в нужных клетках, таких как эпителиальные клетки.
Усилия проложить путь к более сложным животным, таким как овцы, не было эффективным. Это свидетельствует о том, что необходимо провести гораздо больше исследований по этой теме, и предполагает, что химический состав клетки может не допустить высокой экспрессии цикла у животных. Включение цикла у млекопитающих выиграет от достижений в технологии переноса ядер, которая позволит инженерам изучить и получить доступ к путям функциональной интеграции в геноме до его передачи животным.
Есть возможные преимущества, однако, в отсутствии цикла в клетках млекопитающих. Цикл присутствует в микроорганизмах, вызывающих заболевание, но отсутствует у млекопитающих, например человека. Существует большая вероятность разработки антибиотиков, которые атакуют цикл глиоксилата, убивают болезнетворные микроорганизмы, выживание которых зависит от цикла, но не причинит вреда. люди, у которых цикл и, следовательно, ферменты, на которые нацелен антибиотик, отсутствуют.
