Glyoksylaattisykli

Glyoksylaattisykli eli glyoksylaattishuntti [1]  on anabolinen reitti , jota löytyy kasveista , bakteereista , protisteista ja sienistä , ja se on modifioitu trikarboksyylihappokierto . Glyoksylaattisykli muuttaa asetyyli-CoA :n sukkinaatiksi , jota sitten käytetään hiilihydraattien syntetisoimiseen [2] . Mikro - organismeissa se varmistaa yksinkertaisten hiiliyhdisteiden hyödyntämisen hiilen lähteenä , kun monimutkaisempia lähteitä, kuten glukoosia , ei ole saatavilla [3] , ja sitä voidaan pitää myös yhtenä trikarboksyylihappokierron anapleroottisista reaktioista , sukkinaatin ja malaatin määrien täydentäminen [1] . Uskotaan, että glyoksylaattisykli puuttuu eläimistä (vahvistettu poikkeus ovat alkion alkuvaiheessa olevat sukkulamadot ), mutta viime vuosina syklin avainentsyymit, malaattisyntaasi [ en ja isositraattilyaasi [ 2] [4] , on löydetty joistakin eläinkudoksista .

Glyoksylaattisyklin entsyymit ja reaktiot löysi Hans KornbergjaHans Adolf Krebs[5].

Mekanismi

Kasveissa, joissakin selkärangattomissa ja joissakin mikro-organismeissa (mukaan lukien Escherichia coli -bakteerit ja hiiva ) asetaatti voi toimia sekä energialähteenä että esiaste fosfoenolipyruvaatille , jota käytetään edelleen hiilihydraattisynteesiin . Näissä organismeissa glyoksylaattisyklin entsyymit katalysoivat asetaatin muuttumista sukkinaatiksi:

2 Asetyyli-CoA + NAD + + 2H 2O → sukkinaatti + 2CoA + NADH + H + .

Glyoksylaattisyklin aikana asetyyli-CoA yhdistyy oksaloasetaatin kanssa muodostaen sitraattia , ja sitraatti muuttuu isositraatiksi , kuten trikarboksyylihapposyklissä. Seuraava vaihe ei kuitenkaan ole vedyn pilkkominen isositraatista entsyymin isositraattidehydrogenaasi toimesta , vaan isositraatin pilkkominen sukkinaatiksi ja glyoksylaatiksi isositraattilyaasin vaikutuksesta . Tämän aldol-reaktion mekanismi on esitetty alla:

Glyoksylaatti kondensoituu sitten toisen asetyyli-CoA- molekyylin kanssa muodostaen malaattia malaattisyntaasin vaikutuksesta , ja sukkinaatti poistuu syklistä. Malaatti hapettuu edelleen oksaloasetaatiksi, joka voi yhdistyä uuteen asetyyli-CoA-molekyyliin ja aloittaa uuden kierron kierroksen. Jokaisen glyoksylaattisyklin kierroksen aikana käytetään kahta asetyyli-CoA-molekyyliä ja muodostuu yksi sukkinaattimolekyyli, jota voidaan myöhemmin käyttää biosynteesiprosesseissa . Sukkinaatti voidaan muuttaa fumaraatin ja malaatin kautta oksaloasetaatiksi, joka voidaan sitten muuntaa fosfoenolipyruvaattiksi fosfoenolipyruvaattikarboksikinaasilla , ja fosfoenolipyruvaatti antaa glukoosia glukoneogeneesin aikana . Eläimillä glyoksylaattikiertoa ei tapahdu, eivätkä ne siksi pysty saamaan glukoosia lipideistä (asetyyli-CoA muodostuu rasvahappojen β-hapetuksen aikana ) [6] .

Toiminnot eri organismeissa

Kasvit

Kasveissa glyoksylaattisyklin entsyymit sijaitsevat kalvoon sitoutuneissa organelleissa - glyoksisomeissa , jotka ovat erikoistuneita peroksisomeja (nimetty niissä esiintyvän syklin mukaan [7] ). Entsyymeillä, jotka osallistuvat samanaikaisesti sekä trikarboksyylihapposykliin että glyoksylaattisykliin, on kummassakin kaksi isoentsyymiä , joista toinen sijaitsee mitokondrioissa ja toinen glyoksisomeissa. Glyoksisomeja ei ole jatkuvasti läsnä kaikissa kasvikudoksissa . Niitä tuotetaan lipidirikkaissa siemenissä itämisen aikana , ennen kuin kehittyvä kasvi voi tuottaa itse glukoosia fotosynteesin kautta . Glyoksylaattisyklin entsyymien lisäksi glyoksisomit sisältävät kaikki siemeniin varastoituneiden rasvahappojen hajottamiseen tarvittavat entsyymit. Rasvahappojen β-hapetuksen aikana muodostunut asetyyli-CoA muuttuu sukkinaatiksi glyoksylaattisyklin aikana ja sukkinaatti kuljetetaan mitokondrioihin, joissa se osallistuu trikarboksyylihappokiertoon ja muuttuu malaatiksi. Sytosolinen malaattidehydrogenaasi-isoentsyymi hapettaa malaatin oksaloasetaatiksi, joka puolestaan ​​voi muuttua fosfoenolipyruvaaiksi. Jälkimmäinen osallistuu glukoneogeneesiin ja tuottaa lopulta glukoosia. Siten itävä siemen voi muuntaa lipideihin varastoitunutta hiiltä glukoosiksi [6] .

Sienet ja mikro-organismit

Sienissä glyoksylaattisyklin entsyymit sijaitsevat peroksisomeissa. Joissakin patogeenisissa sienissä glyoksylaattisykli voi palvella täysin eri tarkoituksia. Syklin kahden avainentsyymin - isositraattilyaasin ja malaattisyntaasin - pitoisuus kasvaa merkittävästi, kun sieni joutuu kosketuksiin ihmisen kanssa, jonka tämä sieni saastuttaa. Joissakin näiden sienilajeissa mutanttien , joista puuttuu isositraattilyaasi , virulenssi on heikentynyt villityyppiin verrattuna , kuten hiirillä tehdyissä tutkimuksissa on osoitettu . Tämän suhteen syitä tutkitaan parhaillaan, mutta voidaan päätellä, että glyoksylaattisykli on välttämätön näiden patogeenien virulenssin ylläpitämiseksi [8] .

Uusimpien tietojen mukaan kasveissa ja sienissä glyoksylaattisyklin entsyymit eivät sijaitse vain glyoksisomin sisällä: osa niistä on ulkopuolella, joten glyoksylaattisyklin virtaus sisältää joidenkin sen välituotteiden kuljetuksen peroksisomikalvon läpi. [9] .

Glyoksylaattisyklin läsnäolon vuoksi jotkut mikro-organismit voivat kasvaa väliaineissa, jotka sisältävät asetaattia tai rasvahappoja ainoana hiilenlähteenä [10] .

Eläimet

On yleisesti hyväksyttyä, että eläimet eivät pysty suorittamaan glyoksylaattisykliä, koska viime aikoihin asti ei ollut näyttöä siitä, että niillä olisi kaksi avainsyklin entsyymiä, isositraattilyaasi ja malaattisyntaasi. Jotkut tutkimukset kuitenkin osoittavat, että tämä sykli esiintyy joillakin, ellei kaikilla, selkärankaisilla [4] [11] . Erityisesti jotkut tutkimukset ovat osoittaneet, että glyoksylaattisyklin komponentteja on suuria määriä kananmaksassa . Nämä ja vastaavat tiedot viittaavat siihen, että teoriassa glyoksylaattisyklin voivat suorittaa myös monimutkaisemmin organisoituneet selkärankaiset [12] . Muut tutkimukset tarjoavat todisteita siitä, että glyoksylaattisykliä esiintyy joissakin hyönteisissä ja meren selkärangattomissa sekä sukkulamadoissa (jälkimmäisessä tapauksessa glyoksylaattisyklin esiintyminen vahvistetaan selvästi). Muut tutkimukset kuitenkin kumoavat tällaiset johtopäätökset [13] . Myöskään nisäkkäiden syklin olemassaolosta ei ole yksimielisyyttä : esimerkiksi yksi tutkimus osoittaa, että glyoksylaattisykli on aktiivinen talviunissa olevissa karhuissa [14] , mutta uudemmat tutkimukset kiistävät tämän päätelmän [15] . Toisaalta istukan nisäkkäiden genomissa ei ole tunnistettu geeniä , joka koodaisi isositraattilyaasia ja malaattisyntaasia, vaikka ilmeisesti malaattisyntaasi voi olla aktiivinen ei-istukan nisäkkäissä ja muissa selkärankaisissa [2] . Lisäksi oletetaan, että näitä entsyymejä koodaavat geenit nisäkkäissä ovat pseudogeenien muodossa , toisin sanoen sellaisia ​​geenejä ei ole täysin poissa nisäkkäistä, vaan ne ovat vain "sammutettuna" [2] . On mahdollista, että D- vitamiini osallistuu glyoksylaattisyklin säätelyyn selkärankaisilla [12] [16] .

Glyoksylaattisyklin puuttumisesta nisäkässoluissa on kuitenkin etuja. Glyoksylaattisyklin läsnäolo joissakin patogeenisissa mikro-organismeissa ja sen puuttuminen ihmisissä mahdollistaa antibioottien , jotka estävät tämän syklin: ne olisivat haitallisia glyoksylaattikierrosta riippuvaisille mikro-organismeille ja samalla vaarattomia ihmisille [3] .

Asetus

Itävissä siemenissä dikarboksyyli- ja trikarboksyylihappojen entsymaattiset muunnokset tapahtuvat kolmessa solunsisäisessä osastossa: mitokondrioissa, glyoksisomeissa ja sytosolissa. Näiden osastojen välillä tapahtuu jatkuvaa metaboliittien vaihtoa (katso ulkoinen kuva) [17] .

Oksaloasetaatin hiilirunko trikarboksyylihappokierrosta (jota esiintyy mitokondrioissa) siirtyy glyoksisomeihin aspartaatin muodossa . Siellä aspartaatti muuttuu oksaloasetaatiksi, joka kondensoituu rasvahappojen hapettumisen aikana muodostuvan asetyyli-CoA:n kanssa. Syntynyt sitraatti akonitaasin vaikutuksesta muuttuu isositraatiksi, joka sitten hajoaa glyoksylaatiksi ja sukkinaatiksi isositraattilyaasin vaikutuksesta. Sukkinaatti palaa mitokondrioihin, missä se osallistuu trikarboksyylihappokiertoon ja muuttuu malaatiksi, joka siirtyy sytoplasmaan ja hapettuu oksaloasetaatiksi sytosolisen malaattidehydrogenaasin vaikutuksesta. Glukoneogeneesin aikana oksaloasetaatti muuttuu heksooseiksi ja sakkaroosiksi , jotka voidaan kuljettaa kasvaviin juuriin ja versoihin . Näin ollen 4 erilaista biokemiallista prosessia osallistuu kaikkiin näihin transformaatioihin: rasvahappojen hapettuminen asetyyli-CoA:ksi (glyoksisomeissa), glyoksylaattisykli (glyoksisomeissa), trikarboksyylihapposykli (mitokondrioissa) ja glukoneogeneesi (sytosolissa) [17] .

Yleisten metaboliittien läsnäolo näissä prosesseissa edellyttää niiden koordinoitua säätelyä. Tärkein näistä yhdisteistä on isositraatti, joka toimii glyoksylaattisyklin ja trikarboksyylihapposyklin "eräyspisteenä". Isositraattidehydrogenaasia säätelevät kovalenttiset modifikaatiot: spesifinen proteiinikinaasi fosforyloi sen ja siten inaktivoi sen. Tämä inaktivaatio saa isositraattia olemaan enää osallistumatta trikarboksyylihapposykliin ja se ohjataan glyoksylaattisykliin, jossa siitä tulee glukoosisynteesin esiaste. Fosfoproteiinifosfataasi poistaa fosforyyliryhmän isositraattidehydrogenaasista aktivoiden entsyymin uudelleen, ja suurin osa isositraatista lähetetään trikarboksyylihappokiertoon, jossa siitä uutetaan energiaa. Proteiinikinaasin ja fosfoproteiinifosfataasin säätelevät entsymaattiset aktiivisuudet suoritetaan yhdellä polypeptidillä [17] .

Joillakin bakteereilla, mukaan lukien E. coli , on täydellinen sarja glykosylaatti- ja trikarboksyylihapposyklin entsyymejä sytosolissa, ja siksi ne voivat kasvaa asetaatilla ainoana hiilen ja energian lähteenä. Isositraattidehydrogenaasia aktivoivaa fosfoproteiinifosfataasia stimuloivat trikarboksyylihapposyklin ja glykolyysin välituotteet , jotka toimivat indikaattoreina siitä, että solu saa riittävästi energiaa. Samat metaboliitit estävät tämän säätelypolypeptidin proteiinikinaasiaktiivisuutta. Siksi solulle energiaa antavien keskusreittien välituotteiden kertyminen, mikä osoittaa energian puutteen, aktivoi isositraattidehydrogenaasin. Kun näiden aineiden pitoisuus laskee, mikä osoittaa, että trikarboksyylihapposyklin lähtötuotteita on riittävästi, proteiinikinaasi inaktivoi isositraattidehydrogenaasin [17] .

Samat glykolyysin ja trikarboksyylihapposyklin yhdisteet, jotka aktivoivat isositraattidehydrogenaasia, ovat isositraattilyaasin allosteerisia estäjiä . Kun energia-aineenvaihdunnan nopeus on riittävän korkea pitämään glyoksylaattisyklin ja trikarboksyylihapposyklin välituotteiden pitoisuudet alhaisena, isositraattidehydrogenaasi inaktivoituu ja isositraattilyaasin esto lakkaa ja isositraatti osallistuu glyoksylaattikiertoon, jossa se voidaan käyttää hiilihydraattien, aminohappojen ja muiden solukomponenttien biosynteesiin [17] .

Biotekniikka

Tällä hetkellä bioinsinöörit ovat erittäin kiinnostuneita tuomaan nisäkkäille niitä aineenvaihduntareittejä, jotka heiltä luonnostaan ​​puuttuvat. Yksi tällainen reitti, jonka bioinsinöörit ovat yrittäneet viedä nisäkässoluihin, on ollut glyoksylaattisykli. Kiinnostuksen sitä kohtaan aiheutti lampaanvillan määrän kasvu , joka vaatii suuren määrän glukoosia. Jos tämä kierto olisi mahdollista viedä lampaille, niin soluissa olevat valtavat asetaattivarastot käytettäisiin glukoosin tuottamiseen, mikä puolestaan ​​lisäisi saadun lampaanvillan määrää [18] .

Kaksi glyoksylaattisykliin tarvittavaa geeniä eristettiin ja sekvensoitiin E. colin DNA :sta: isositraattilyaasia koodaava AceA ja malaattisyntaasia koodaava AceB [18] . Sen jälkeen nämä geenit voitaisiin lisätä onnistuneesti nisäkkään kudosviljelmäsolujen DNA:han, jossa ne transkriptoidaan ja transloidaan sopiviksi entsyymeiksi vahingoittamatta itse solua, mikä sallisi glyoksylaattisyklin edetä. On kuitenkin osoittautunut vaikeaksi viedä tämä reitti siirtogeenisiin hiiriin tällä tavalla. Vaikka nämä geenit ilmentyivät maksa- ja ohutsuolen soluissa , niiden ilmentymistaso oli alhainen ja epävakaa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi olisi mahdollista fuusioida nämä geenit promoottorien kanssa niiden ilmentymistasoa lisäämiseksi ja mahdollistaa se soluissa, kuten epiteelisoluissa [19] .

Yritykset viedä kiertokulku monimutkaisemmin organisoituneisiin eläimiin, erityisesti lampaisiin, eivät kuitenkaan ole onnistuneet. Tämä saattaa viitata siihen, että glyoksylaattisyklin geenien korkea ilmentymistaso johtaisi tuhoisiin seurauksiin solulle. Terapeuttinen kloonaus voisi mahdollisesti tuoda jonkin verran hyötyä glyoksylaattisyklin viemisestä nisäkässoluihin , mikä antaisi tutkijoille mahdollisuuden testata sykligeenien toiminnallista integraatiota genomiin ennen niiden viemistä suoraan kehoon [18] .

Muistiinpanot

  1. ↑ 1 2 Netrusov A.I., Kotova I.B. Microbiology. - 4. painos, tarkistettu. ja muita .. - M . : Publishing Center "Academy", 2012. - S. 128. - 384 s. - ISBN 978-5-7695-7979-0 .
  2. ↑ 1 2 3 4 Kondrashov FA , Koonin EV , Morgunov IG , Finogenova TV , Kondrashova MN Glyoksylaattisyklin entsyymien evoluutio Metazoassa: todisteita useista horisontaalisista siirtotapahtumista ja pseudogeenien muodostumisesta.  (englanniksi)  // Suora biologia. - 2006. - Voi. 1. - P. 31. - doi : 10.1186/1745-6150-1-31 . — PMID 17059607 .
  3. ↑ 1 2 Lorenz MC , Fink GR Elämä ja kuolema makrofageissa: glyoksylaattisyklin rooli virulenssissa.  (englanniksi)  // Eukaryoottisolu. - 2002. - Voi. 1, ei. 5 . - s. 657-662. — PMID 12455685 .
  4. ↑ 1 2 Popov EA, Moskalev EA, Shevchenko MU, Eprintsev AT Glyoksylaattisyklin avainentsyymin isositraattilyaasin vertaileva analyysi eri systemaattisten ryhmien organismeista // Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. - 2005. - Voi. 41, nro 6 . - s. 631-639. - doi : 10.1007/s10893-006-0004-3 .
  5. ↑ Bryan A. Wilson, Jonathan C. Schisler, Monte S. Willis. Sir Hans Adolf Krebs: Metabolisten syklien arkkitehti  // LabMedicine. - 2010. - T. 41 . - S. 377-380 . - doi : 10.1309/LMZ5ZLAC85GFMGHU .  (linkki ei saatavilla)
  6. ↑ 12 Nelson , Cox, 2008 , s. 638.
  7. ↑ Heldt, 2011 , s. 315.
  8. ↑ Lorenz MC , Fink GR Glyoksylaattisykliä tarvitaan sienivirulenssiin.  (englanniksi)  // Luonto. - 2001. - Voi. 412, nro 6842 . - s. 83-86. - doi : 10.1038/35083594 . — PMID 11452311 .
  9. ↑ Kunze M. , Pracharoenwattana I. , Smith SM , Hartig A. Peroksisomaalisen kalvon keskeinen rooli glyoksylaattisyklin toiminnassa.  (englanti)  // Biochimica et biophysica acta. - 2006. - Voi. 1763, nro 12 . - s. 1441-1452. - doi : 10.1016/j.bbamcr.2006.09.009 . — PMID 17055076 .
  10. ↑ Glyoksylaattisykli - artikkeli Biological Encyclopedic Dictionarysta
  11. ↑ Davis WL , Goodman DB Todisteet glyoksylaattikierrosta ihmisen maksassa.  (englanti)  // Anatominen tietue. - 1992. - Voi. 234, nro 4 . - s. 461-468. - doi : 10.1002/ar.1092340402 . — PMID 1456449 .
  12. ↑ 1 2 Davis WL , Jones RG , Farmer GR , Dickerson T. , Cortinas E. , Cooper OJ , Crawford L. , Goodman DB Glyoksylaattisyklin entsyymien tunnistaminen kanan maksassa - D3-vitamiinin vaikutus: sytokemia ja biokemia.  (englanti)  // Anatominen tietue. - 1990. - Voi. 227, nro. 3 . - s. 271-284. - doi : 10.1002/ar.1092270302 . — PMID 2164796 .
  13. ↑ Storrey, Kenneth. Funktionaalinen aineenvaihdunta : säätely ja sopeutuminen  . - Hobocken, New Jersey: John Wiley and Sons, Inc., 2004. - S. 221-223. — ISBN 0-471-41090-X .
  14. ↑ Davis WL , Goodman DB , Crawford LA , Cooper OJ , Matthews JL Hibernation aktivoi glyoksylaattisyklin ja glukoneogeneesin mustakarhun ruskeassa rasvakudoksessa.  (englanti)  // Biochimica et biophysica acta. - 1990. - Voi. 1051, nro 3 . - s. 276-278. — PMID 2310778 .
  15. ↑ Jones JD , Burnett P. , Zollman P. Glyoksylaattikierto: toimiiko se lepotilassa vai aktiivisessa karhussa?  (englanti)  // Vertaileva biokemia ja fysiologia. Osa B, Biokemia ja molekyylibiologia. - 1999. - Voi. 124, nro. 2 . - s. 177-179. — PMID 10584301 .
  16. ↑ Davis WL , Jones RG , Farmer GR , Cortinas E. , Matthews JL , Goodman DB Glyoksylaattisykli rotan epifyysirustossa: D3-vitamiinin vaikutus isositraattilyaasi- ja malaattisyntaasientsyymien aktiivisuuteen.  (englanniksi)  // Bone. - 1989. - Voi. 10, ei. 3 . - s. 201-206. — PMID 2553083 .
  17. ↑ 1 2 3 4 5 Nelson, Cox, 2008 , s. 639.
  18. ↑ 1 2 3 Ward KA Siirtogeenivälitteiset muutokset eläinten biokemiaan.  (englanti)  // Biotekniikan suuntaukset. - 2000. - Voi. 18, ei. 3 . - s. 99-102. — PMID 10675896 .
  19. ↑ Ward KA , Nancarrow CD Kotieläinten tuotantoominaisuuksien geenitekniikka.  (englanniksi)  // Kokemus. - 1991. - Voi. 47, nro. 9 . - s. 913-922. — PMID 1915775 .

Kirjallisuus

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat