Глиоксилатный цикл
Глиоксилатный цикл , разновидность цикла трикарбоновых кислот , представляет собой анаболический путь, встречающийся в растениях , бактериях , протистах и грибах . Глиоксилатный ацетил цикл основан на превращении -КоА в сукцинат для синтеза углеводов . [1] У микроорганизмов глиоксилатный цикл позволяет клеткам использовать два углерода (соединения C2), такие как ацетат, для удовлетворения потребностей клеток в углероде, когда простые сахара, такие как глюкоза или фруктоза, недоступны. [2] Обычно считается, что цикл отсутствует у животных, за исключением нематод на ранних стадиях эмбриогенеза. Однако в последние годы обнаружение в некоторых тканях животных малатсинтазы (MS) и изоцитратлиазы (ICL), ключевых ферментов, участвующих в глиоксилатном цикле, подняло вопросы об эволюционных взаимоотношениях ферментов у бактерий и животных и позволяет предположить, что животные кодируют альтернативные ферменты цикла, которые отличаются по функциям от известных MS и ICL у неметазоаных видов. [1] [3]
Растения, а также некоторые водоросли и бактерии могут использовать ацетат в качестве источника углерода для производства углеродных соединений. Растения и бактерии используют модификацию цикла ТСА, называемую глиоксилатным циклом, для производства четырехуглеродной дикарбоновой кислоты из двух ацетатно-углеродных единиц. Глиоксилатный цикл обходит две реакции окислительного декарбоксилирования цикла ТСА и напрямую превращает изоцитрат через изоцитратлиазу и малатсинтазу в малат и сукцинат.
Глиоксилатный цикл был открыт в 1957 году в Оксфордском университете сэром Хансом Корнбергом и его наставником Гансом Кребсом , в результате чего была опубликована статья Nature « Синтез клеточных компонентов из C 2 -единиц с помощью модифицированного цикла трикарбоновых кислот» . [4]
Сходства с циклом TCA
[ редактировать ]В глиоксилатном цикле используются пять из восьми ферментов, связанных с циклом трикарбоновых кислот : цитратсинтаза , аконитаза , сукцинатдегидрогеназа , фумараза и малатдегидрогеназа . Эти два цикла отличаются тем, что в глиоксилатном цикле изоцитрат превращается в глиоксилат и сукцинат под действием изоцитратлиазы (ICL), а не в α-кетоглутарат. [1] Это обходит этапы декарбоксилирования, которые происходят в цикле лимонной кислоты (цикл ТСА), позволяя использовать простые соединения углерода в более позднем синтезе макромолекул, включая глюкозу. [2] Глиоксилат впоследствии объединяется с ацетил-КоА с образованием малата , катализируемым малатсинтазой. [1] Малат образуется также параллельно из сукцината под действием сукцинатдегидрогеназы и фумаразы.
Роль в глюконеогенезе
[ редактировать ]Жирные кислоты из липидов обычно используются позвоночными в качестве источника энергии, поскольку жирные кислоты разлагаются в результате бета-окисления до молекул ацетата. Этот ацетат, связанный с активной тиоловой группой кофермента А , вступает в цикл трикарбоновой кислоты (цикл ТСА), где полностью окисляется до диоксида углерода . Таким образом, этот путь позволяет клеткам получать энергию из жира. Для использования ацетата жира для биосинтеза углеводов используют глиоксилатный цикл, начальные реакции которого идентичны циклу ТСА.
Организмы, содержащие клеточную стенку, такие как растения , грибы и бактерии , требуют очень большого количества углеводов во время роста для биосинтеза сложных структурных полисахаридов , таких как целлюлоза , глюканы и хитин . У этих организмов при отсутствии доступных углеводов (например, в определенных микробных средах или при прорастании семян растений) глиоксилатный цикл обеспечивает синтез глюкозы из липидов через ацетат, образующийся при β-окислении жирных кислот.
Глиоксилатный цикл обходит этапы 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, катализируемом ферментом первого глиоксилатного цикла, изоцитратлиазой , изоцитрат подвергается расщеплению на сукцинат и глиоксилат (последний дает название циклу). Глиоксилат конденсируется с ацетил-КоА (этап, катализируемый малатсинтазой ), образуя малат . И малат , и оксалоацетат могут превращаться в фосфоенолпируват , который является продуктом фосфоенолпируваткарбоксикиназы , первого фермента глюконеогенеза . Таким образом, конечным результатом глиоксилатного цикла является производство глюкозы из жирных кислот. Сукцинат, образующийся на первом этапе, может вступать в цикл лимонной кислоты с образованием оксалоацетата. [2]
Функция в организмах
[ редактировать ]Растения
[ редактировать ]У растений глиоксилатный цикл осуществляется в особых пероксисомах , называемых 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, обеспечивающих рост и развитие организма.
Глиоксилатный цикл также может обеспечить растениям еще один аспект метаболического разнообразия. Этот цикл позволяет растениям использовать ацетат как источник углерода и источник энергии. Ацетат превращается в ацетил-КоА (аналогично циклу ТСА). Этот ацетил-КоА может проходить через глиоксилатный цикл, и во время цикла высвобождается некоторое количество сукцината. Молекула сукцината с четырьмя атомами углерода может быть преобразована во множество углеводов посредством комбинации 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 стимулирования синтеза энергии в форме АТФ на более поздних стадиях цепи переноса электронов . [5]
Патогенные грибы
[ редактировать ]глиоксилатный цикл может служить совершенно иной 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 отсутствовал 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 патогенеза этих микробов . [6] [7]
Позвоночные животные
[ редактировать ]Когда-то считалось, что позвоночные не способны выполнять этот цикл, поскольку не было обнаружено двух ключевых ферментов , изоцитратлиазы и малатсинтазы. Однако некоторые исследования показывают, что этот путь может существовать у некоторых, если не у всех, позвоночных. [8] [9] В частности, некоторые исследования показывают, что компоненты глиоксилатного цикла существуют в значительных количествах в ткани печени кур. Подобные данные подтверждают идею о том, что цикл теоретически может происходить даже у самых сложных позвоночных. [10] Другие эксперименты также предоставили доказательства того, что цикл присутствует среди некоторых видов насекомых и морских беспозвоночных, а также убедительные доказательства присутствия цикла у видов нематод. Однако другие эксперименты опровергают это утверждение. [11] Некоторые публикации расходятся во мнениях относительно наличия этого цикла у млекопитающих : например, в одной статье говорится, что глиоксилатный цикл активен у медведей, находящихся в спячке, [12] но это сообщение было оспорено в более поздней статье. [13] Существуют доказательства активности малатсинтазы у людей благодаря двойной функциональной малат/B-метилмалатсинтазе митохондриального происхождения, называемой CLYBL, экспрессируемой в буром жире и почках. [14] Витамин D может регулировать этот путь у позвоночных. [10] [15]
Ингибирование глиоксилатного цикла
[ редактировать ]Из-за центральной роли глиоксилатного цикла в метаболизме патогенных видов, включая грибы и бактерии, ферменты глиоксилатного цикла в настоящее время являются объектами ингибирования при лечении заболеваний. Большинство известных ингибиторов глиоксилатного цикла нацелены на первый фермент цикла (ICL). Сообщалось, что ингибиторы Candida albicans могут быть использованы в качестве противогрибковых средств. [16] Микобактериальный глиоксилатный цикл также используется для потенциального лечения туберкулеза . [17] [18]
Инженерные концепции
[ редактировать ]Перспектива создания различных метаболических путей у млекопитающих , у которых их нет, представляет сегодня большой интерес для биоинженеров. Глиоксилатный цикл — один из путей, которым инженеры пытались манипулировать в клетках млекопитающих. В первую очередь это представляет интерес для инженеров с целью увеличения производства шерсти у овец, ограниченных доступом к запасам глюкозы. Введя этот путь овцам, можно будет использовать большие запасы ацетата в клетках для синтеза глюкозы в ходе цикла, что позволит увеличить производство шерсти. [19] Млекопитающие неспособны осуществлять этот путь из-за отсутствия двух ферментов, изоцитратлиазы и малатсинтазы , которые необходимы для осуществления цикла. Однако некоторые полагают, что гены, продуцирующие эти ферменты, у млекопитающих псевдогенны , а это означает, что ген не обязательно отсутствует, а скорее, он просто «выключен». [1]
Чтобы спроектировать путь в клетки, гены, ответственные за кодирование ферментов, необходимо было выделить и секвенировать, что было сделано с использованием бактерий E.coli , из которых ген AceA, ответственный за кодирование изоцитратлиазы , и AceB ген, ответственный за кодирование малатсинтазы , секвенировали. [19] Инженерам удалось успешно внедрить гены AceA и AceB в клетки млекопитающих в культуре, а клетки успешно транслировали и транскрибировали гены в соответствующие ферменты, доказывая, что гены могут быть успешно включены в ДНК клетки без повреждения функциональности. или здоровье клетки. Однако инженерам оказалось сложно спроектировать путь к трансгенным мышам. Хотя ДНК экспрессируется в некоторых тканях, включая печень и тонкий кишечник у подопытных животных, уровень экспрессии невысок и не является статистически значимым. Чтобы успешно спроектировать этот путь, инженерам придется объединить ген с промоторами, которые можно будет регулировать, чтобы повысить уровень экспрессии и обеспечить экспрессию в нужных клетках, таких как эпителиальные клетки . [20]
Попытки спроектировать этот путь у более сложных животных, таких как овцы, не увенчались успехом. Это показывает, что необходимо провести гораздо больше исследований по этой теме, и предполагает, что, возможно, высокая экспрессия цикла у животных не будет допускаться химическим составом клетки. Включение этого цикла в организм млекопитающих выиграет от достижений в технологии ядерного переноса , которые позволят инженерам изучить и получить доступ к пути функциональной интеграции в геноме перед его передачей животным. [19]
Однако есть возможные преимущества в отсутствии цикла в клетках млекопитающих. Цикл присутствует у микроорганизмов , вызывающих заболевания, но отсутствует у млекопитающих, например у человека. Существует высокая вероятность разработки антибиотиков, которые будут атаковать глиоксилатный цикл, убивая болезнетворные микроорганизмы, выживание которых зависит от цикла, но не нанесут вреда людям, где цикл и, следовательно, ферментам, которые антибиотик были бы нацелены, отсутствуют. [2]
См. также
[ редактировать ]- Цикл лимонной кислоты (цикл трикарбоновых кислот)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Кондрашов Ф.А., Кунин Е.В., Моргунов И.Г., Финогенова Т.В., Кондрашова М.Н. (октябрь 2006 г.). «Эволюция ферментов глиоксилатного цикла у Metazoa: свидетельства множественных событий горизонтального переноса и образования псевдогенов» . Биология Директ . 1:31 . дои : 10.1186/1745-6150-1-31 . ПМК 1630690 . ПМИД 17059607 .
- ^ Jump up to: а б с д Лоренц MC, Финк GR (октябрь 2002 г.). «Жизнь и смерть макрофага: роль глиоксилатного цикла в вирулентности» . Эукариотическая клетка . 1 (5): 657–62. doi : 10.1128/EC.1.5.657-662.2002 . ПМК 126751 . ПМИД 12455685 .
- ^ Попов Е.А.; Москалев Е.А.; Шевченко, М.Ю.; Епринцев А.Т. (ноябрь 2005 г.). «Сравнительный анализ ключевого фермента глиоксилатного цикла изоцитратлиазы организмов разных систематических групп». Журнал эволюционной биохимии и физиологии . 41 (6): 631–639. дои : 10.1007/s10893-006-0004-3 . S2CID 30856607 .
- ^ Корнберг, Х.Л.; Кребс, ХА (1957). «Синтез клеточных компонентов из C 2 -единиц с помощью модифицированного цикла трикарбоновых кислот» . Природа . 179 (4568): 988–991. Бибкод : 1957Natur.179..988K . дои : 10.1038/179988a0 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 13430766 . S2CID 40858130 .
- ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). Биохимия . Нью-Йорк: WH Freeman.
- ^ Лоренц MC, Финк GR (июль 2001 г.). «Глиоксилатный цикл необходим для вирулентности грибов». Природа . 412 (6842): 83–6. Бибкод : 2001Natur.412...83L . дои : 10.1038/35083594 . ПМИД 11452311 . S2CID 4330954 .
- ^ Данн М.Ф., Рамирес-Трухильо Х.А., Эрнандес-Лукас I (октябрь 2009 г.). «Основная роль изоцитратлиазы и малатсинтазы в бактериальном и грибковом патогенезе» . Микробиология . 155 (Часть 10): 3166–75. дои : 10.1099/mic.0.030858-0 . ПМИД 19684068 .
- ^ В.Н. Попов; Е.А. Москалев; М.У. Шевченко; А. Т. Епринцев (декабрь 2005 г.). «Сравнительный анализ ключевого фермента изоцитратлиазы глиоксилатного цикла организмов разных систематических групп». Журнал эволюционной биохимии и физиологии . 41 (6): 631–639. дои : 10.1007/s10893-006-0004-3 . S2CID 30856607 .
- ^ Дэвис В.Л., Гудман Д.Б. (декабрь 1992 г.). «Доказательства существования глиоксилатного цикла в печени человека». Анатомическая запись . 234 (4): 461–8. дои : 10.1002/ar.1092340402 . ПМИД 1456449 . S2CID 13181926 .
- ^ Jump up to: а б Дэвис В.Л., Джонс Р.Г., Фармер Г.Р., Дикерсон Т., Кортинас Э., Купер О.Дж., Кроуфорд Л., Гудман Д.Б. (июль 1990 г.). «Идентификация ферментов глиоксилатного цикла в куриной печени - влияние витамина D3: цитохимия и биохимия». Анатомическая запись . 227 (3): 271–84. дои : 10.1002/ar.1092270302 . ПМИД 2164796 . S2CID 39607621 .
- ^ Сторри, Кеннет, изд. (2004). Функциональный метаболизм: регуляция и адаптация . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley and Sons, Inc., стр. 221–223. ISBN 978-0-471-41090-4 .
- ^ Дэвис В.Л., Гудман Д.Б., Кроуфорд Л.А., Купер О.Дж., Мэтьюз Дж.Л. (март 1990 г.). «Гибернация активирует глиоксилатный цикл и глюконеогенез в жировой ткани бурого черного медведя». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . 1051 (3): 276–8. дои : 10.1016/0167-4889(90)90133-X . ПМИД 2310778 .
- ^ Джонс Дж.Д., Бернетт П., Золлман П. (октябрь 1999 г.). «Глиоксилатный цикл: функционирует ли он у спящего или активного медведя?». Сравнительная биохимия и физиология. Часть B. Биохимия и молекулярная биология . 124 (2): 177–9. дои : 10.1016/S0305-0491(99)00109-1 . ПМИД 10584301 .
- ^ Стриттматтер Л., Ли Й., Накацука Н.Дж., Кальво С.Е., Грабарек З., Моота В.К. (май 2014 г.). «CLYBL представляет собой полиморфный человеческий фермент с активностью малатсинтазы и β-метилмалатсинтазы» . Молекулярная генетика человека . 23 (9): 2313–23. дои : 10.1093/hmg/ddt624 . ПМЦ 3976331 . ПМИД 24334609 .
- ^ Дэвис В.Л., Джонс Р.Г., Фармер Г.Р., Кортинас Э., Мэтьюз Дж.Л., Гудман Д.Б. (1989). «Глиоксилатный цикл в эпифизарном хряще крысы: влияние витамина-D3 на активность ферментов изоцитратлиазы и малатсинтазы». Кость . 10 (3): 201–6. дои : 10.1016/8756-3282(89)90054-9 . ПМИД 2553083 .
- ^ Чеа Х.Л., Лим В., Сандай Д. (апрель 2014 г.). «Ингибиторы фермента глиоксилатного цикла ICL1 у Candida albicans для потенциального использования в качестве противогрибковых средств» . ПЛОС ОДИН . 9 (4): е95951. Бибкод : 2014PLoSO...995951C . дои : 10.1371/journal.pone.0095951 . ПМК 4004578 . ПМИД 24781056 .
- ^ Бхусал Р.П., Башири Дж., Квай Б.Х., Сперри Дж., Люнг И.К. (июль 2017 г.). «Нацеливание изоцитратлиазы на лечение латентного туберкулеза». Открытие наркотиков сегодня . 22 (7): 1008–1016. дои : 10.1016/j.drudis.2017.04.012 . ПМИД 28458043 .
- ^ Ли Й.В., Вахаб Х.А., Чунг Й.С. (2015). «Потенциальные ингибиторы изоцитратлиазы микобактерий туберкулеза и не-M.tuberculosis: краткое содержание» . БиоМед Исследования Интернэшнл . 2015 : 895453. doi : 10.1155/2015/895453 . ПМК 4306415 . ПМИД 25649791 .
- ^ Jump up to: а б с Уорд К.А. (март 2000 г.). «Трансгенно-опосредованные модификации биохимии животных». Тенденции в биотехнологии . 18 (3): 99–102. дои : 10.1016/S0167-7799(99)01417-1 . ПМИД 10675896 .
- ^ Уорд, Кевин; CD Нанкарроу (1 сентября 1991 г.). «Генная инженерия производственных признаков домашних животных». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 47 (9): 913–922. дои : 10.1007/BF01929882 . ПМИД 1915775 . S2CID 41676957 .
Внешние ссылки
[ редактировать ] метаболизма Карта |
|---|
