GLYOXYLATCYKEL: EGENSKAPER, REAKTIONER, REGLERING, FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

Den glyoxylat cykeln är en metabolisk väg som finns i växter, i vissa mikroorganismer och i ryggradslösa djur (frånvarande i alla ryggradsdjur), genom vilka dessa organismer kan omvandla fetter till kolhydrater (sockerarter).

Den här vägen upptäcktes 1957, medan Kornberg, Krebs och Beevers försökte belysa hur bakterier som Escherichia coli kunde växa i närvaro av acetat som den enda kolkällan och hur spirande plantor av spurge (Ricinus communis) kunde omvandla fett till kolhydrater.

Schema över glyoxylatcykeln (Källa: Agrotman via Wikimedia Commons)

Studier av dessa tre forskare ledde till upptäckten av två enzymer kända som isocitratlyas och malatsyntas, som tillsammans med enzymerna i Krebs-cykeln möjliggör syntes av succinat från två acetyl-coA-molekyler.

Det således producerade succinatet omvandlas till malat genom trikarboxylsyracykeln och kan senare användas för produktion av glukos genom glukoneogenes.

Denna väg förekommer i växter i speciella organeller som kallas glyoxysomer och är avgörande för överlevnad av plantor under de tidiga stadierna av spiring.

egenskaper

Glyoxylatvägen kan ses som en "modifiering" av Krebs-cykeln, med skillnaden att oxidativ dekarboxylering inte sker i den förstnämnda, men fyra koldikarboxylsyror kan bildas från acetatenheter av två kolatomer.

Detta kännetecken för glyoxylatcykeln har beskrivits som ett sätt som vissa organismer måste undvika ("förbikoppla") förlusten av koldioxid i form av koldioxid som identifierar Krebs-cykeln.

I växter inträffar glyoxylatcykeln inom cytosoliska organeller omgiven av ett enkelt membran som kallas glyoxysomer. I andra organismer, såsom jäst och alger, å andra sidan förekommer denna väg i cytosolen.

Glyoxysomer är strukturellt lika med peroxisomer (vissa författare anser att de är "specialiserade peroxisomer"), andra organeller som är ansvariga för en del av p-oxidationen av fettsyror och eliminering av reaktiva syrearter i eukaryota organismer.

Inuti oxideras fettsyrorna för att producera acetyl-CoA, som sedan kondenseras till föreningar med fyra kolatomer. Dessa föreningar transporteras selektivt till mitokondrierna, där de omvandlas till malat eller transporteras till cytosolen för att gå in i glukoneogen väg (glukossyntes).

Enzymerna som delas mellan glyoxylatvägen och trikarboxylsyracykeln finns i mitokondrierna och glyoxysomen som isoenzymer, vilket innebär att båda vägarna fungerar mer eller mindre oberoende av varandra.

Förekomst av glyoxysomer

Glyoxysomer finns inte permanent i växtvävnader. De är särskilt rikliga under groddning av oljeväxter, som har liten fotosyntetisk förmåga att producera de kolhydrater de behöver för att växa.

I fullt utvecklade växter är deras deltagande i ämnesomsättningen inte så viktigt eftersom socker framställs främst genom fotosyntes.

reaktioner

Acetat från nedbrytningen av fettsyror fungerar som ett energirikt bränsle och som en källa till fosfoenolpyruvat för syntes av glukos genom glukoneogenes. Processen är som följer:

Steg i glyoxylatcykeln

1- Glyoxylatvägen, liknande den i Krebs-cykeln, börjar med kondensationen av en acetyl-CoA-molekyl med en annan oxaloacetat för att ge citrat, en reaktion katalyserad av enzymet citrat-syntas.

2- Aconitase-enzymet omvandlar detta citrat till isocitrat.

3- Isocitrat används som ett substrat för enzymet isocitrat lyas för att bilda föreningarna succinat och glyoxylat.

Molekylstrukturen hos enzymet Isocitrate Liasa (Källa: Vrabiochemhw via Wikimedia Commons)

4- Glykoxylatet tas upp av enzymet malatsyntas för att producera malat genom dess kondensation med en andra molekyl acetyl-CoA.

5- Malat omvandlas till oxaloacetat av malatdehydrogenas och denna förening kan fungera som en föregångare för den glukoneogena vägen eller kondenseras med en annan acetyl-CoA för att starta om cykeln en gång till.

6- Det producerade succinatet kan också omvandlas till fumarat och detta till malat, vilket ger en större mängd oxaloacetatmolekyler för bildning av glukos. Annars kan denna molekyl också exporteras till mitokondrierna för att fungera i Krebs-cykeln.

Oxaloacetat går in i den glukoneogena vägen för glukosproduktion tack vare dess omvandling till fosfoenolpyruvat, som katalyseras av enzymet fosfoenolpyruvat karboxykinas.

förordning

Eftersom glyoxylat- och trikarboxylsyracyklerna delar flera mellanprodukter med varandra, finns det en samordnad reglering mellan de två.

Dessutom är det nödvändigt att det finns kontrollmekanismer, eftersom syntes av glukos och andra hexoser från acetyl-CoA (från nedbrytning av fetter) innebär deltagande av minst fyra vägar:

- P-oxidationen av fettsyror som producerar de acetyl-CoA-molekyler som är nödvändiga för både glyoxylatcykeln och Krebs-cykeln och som i växter äger rum i glyoxysomer.

- Glykoxylatcykeln, som också förekommer i glyoxysomer och som, som nämnts, producerar mellanprodukter som succinat, malat och oxaloacetat.

- Krebs-cykeln, som äger rum i mitokondrierna och där mellanprodukterna succinat, malat och oxaloacetat också produceras.

- Glukoneogenes, som förekommer i cytosolen och involverar användning av oxaloacetat omvandlat till fosfoenolpyruvat för att syntetisera glukos.

Den huvudsakliga kontrollpunkten är i enzymet isocitratdehydrogenas, vars reglering innefattar en kovalent modifiering genom att tillsätta eller ta bort en fosfatgrupp.

När enzymet är fosforylerat inaktiveras det, så isocitratet riktas mot glyoxylatvägen för framställning av glukos.

Funktioner

För växter är glyoxylatcykeln väsentlig, speciellt under groddprocessen, eftersom nedbrytningen av fett lagrade i frönen används för syntes av glukos i fotosyntetiskt underutvecklade vävnader.

Glukos används som en källa för att erhålla energi i form av ATP eller för bildning av mer komplexa kolhydrater med strukturella funktioner, men några av de mellanprodukter som genereras under glyoxylatvägen kan också tjäna syntesen av andra cellkomponenter.

I mikroorganismer

Huvudfunktionen för glyoxylatcykeln i mikroorganismer är att tillhandahålla en "alternativ" metabolisk väg, så att mikroorganismer kan dra nytta av andra källor till kol och energi för deras tillväxt.

Sådant är fallet med bakterien Escherichia coli, i vilken, när halterna av vissa intermediärer i glykolys och citronsyrecykeln minskar (isocitrat, 3-fosfoglycerat, pyruvat, fosfoenolpyruvat och oxaloacetat), enzymet isocitratdehydrogenas (som deltar i Krebs-cykeln) hämmas och isocitrat riktas mot glyoxylatvägen.

Om denna väg är aktiv när bakterierna till exempel växer i ett medium som är rikt på acetat, kan denna metabolit användas för att syntetisera karboxylsyror med fyra kolatomer som senare kan leda till bildning av energiska kolhydrater. .

För andra organismer såsom svampar, till exempel, har patogenicitet visat sig vara starkt beroende av närvaron av en aktiv glyoxylatcykel, uppenbarligen av metaboliska skäl.

referenser

1. Dey, P., & Harborne, J. (1977). Växtbiokemi. San Diego, Kalifornien: Academic Press.
2. Ensign, SA (2006). Översyn av glyoxylatcykeln: alternativa vägar för mikrobiell acetatassimilering. Molecular Microbiology, 61 (2), 274–276.
3. Garrett, R., & Grisham, C. (2010). Biokemi (4: e upplagan). Boston, USA: Brooks / Cole. CENGAGE Learning.
4. Lorenz, MC, & Fink, GR (2001). Glykoxylatcykeln krävs för svampvirulens. Nature, 412, 83-86.
5. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biokemi (3: e upplagan). San Francisco, Kalifornien: Pearson.
6. Rawn, JD (1998). Biokemi. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson förlag.
7. Vallarino, JG, & Osorio, S. (2019). Organiska syror. I efter-skördet fysiologi och biokemi av frukt och grönsaker (s. 207–224). Elsevier Inc.