Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Обзор цикла глиоксилата

Цикл глиоксилата , вариация кислотного цикла трикарбонового , является анаболическим путем , происходящим в растениях , бактерий , простейших и грибах . В глиоксилатом цикла центров по конверсии ацетил-КоА в сукцинат для синтеза углеводов . [1] У микроорганизмов 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. [2]Принято считать, 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 эволюционной взаимосвязи ферментов у бактерий и животных и предполагает, что животные кодируют альтернативные ферменты цикла, функции которых отличаются от известных MS и ICL у неметазоа. [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 TCA, называемого глиоксилатным циклом, для производства четырех углекислых карбоновых кислот из двух углеродных ацетатных единиц. Глиоксилатный цикл обходит две реакции окислительного декарбоксилирования цикла TCA и напрямую превращает изоцитрат через изоцитратлиазу и малатсинтазу в малат и сукцинат.

Сходства с циклом TCA [ править ]

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 с помощью изоцитратлиазы (ICL) вместо α-кетоглутарата. [1] 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. [2] Глиоксилат впоследствии объединяется с ацетил-КоА с образованием малата , катализируемого малатсинтазой. [1] Малат также образуется параллельно из сукцината под действием сукцинатдегидрогеназы и фумаразы.

Роль в глюконеогенезе [ править ]

Жирные кислоты из липидов обычно используются позвоночными в качестве источника энергии, так как жирные кислоты разлагаются путем бета-окисления до молекул ацетата. Этот ацетат, связанный с активной тиольной группой кофермента А , входит в цикл лимонной кислоты (цикл TCA), где он полностью окисляется до диоксида 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.

Организмы, содержащие клеточную стенку, такие как растения , грибы и бактерии , нуждаются в очень большом количестве 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 при β-окислении жирных кислот.

Цикл глиоксилата обходит этапы цикла лимонной кислоты, где 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 свое 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 глюконеогенеза . Таким образом, чистым 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 [ править ]

Растения [ править ]

У растений цикл глиоксилата 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 предоставить растениям еще один аспект 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 . [4]

Патогенные грибы [ править ]

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 вирулентны в исследованиях на мышах по сравнению с диким типом. Точная связь между этими двумя наблюдениями все еще изучается, но можно сделать вывод, что глиоксилатный цикл является важным фактором в патогенезе этих микробов . [5] [6]

Позвоночные [ править ]

Когда-то считалось, что позвоночные не могут выполнять этот цикл, потому что не было доказательств наличия двух его ключевых ферментов , изоцитратлиазы и малатсинтазы. Однако некоторые исследования показывают, что этот путь может существовать у некоторых, если не у всех, позвоночных. [7] [8] 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. [9]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. [10] Некоторые публикации противоречат наличию цикла у млекопитающих : например, в одной статье утверждается, что цикл глиоксилата активен у медведей, находящихся в спячке, [11] но это сообщение было оспорено в более поздней статье. [12] Существуют доказательства активности малатсинтазы у людей из-за двойной функциональной малат / B-метилмалатсинтазы митохондриального происхождения, называемой CLYBL, экспрессирующейся в буром жире и почках. [13] Витамин D может регулировать этот путь у позвоночных.[9] [14]

Ингибирование глиоксилатного цикла [ править ]

Из-за центральной роли глиоксилатного цикла в метаболизме патогенных видов, включая грибы и бактерии, ферменты глиоксилатного цикла в настоящее время являются мишенями для ингибирования при лечении заболеваний. Большинство зарегистрированных ингибиторов глиоксилатного цикла нацелены на первый фермент цикла (ICL). Сообщалось об ингибиторах Candida albicans для потенциального использования в качестве противогрибковых средств. [15] Микобактериальный глиоксилатный цикл также нацелен на потенциальное лечение туберкулеза . [16] [17]

Инженерные концепции [ править ]

Перспектива инженерных различных метаболических путей в млекопитающих , которые не обладают ими , это тема представляет большой интерес для био-инженеров сегодня. Глиоксилатный цикл - один из путей, которыми 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. Введя этот путь в овцу, можно использовать большие запасы ацетата в клетках для синтеза глюкозы в течение цикла, что позволяет увеличить производство шерсти. [18] Млекопитающие неспособны выполнять этот путь из-за отсутствия двух ферментов, изоцитратлиазы ималатсинтазы , которые необходимы для прохождения цикла. Некоторые считают, что гены, вырабатывающие эти ферменты, у млекопитающих являются псевдогенными , что означает, что ген не обязательно отсутствует, скорее, он просто «выключен». [1]

Чтобы сконструировать путь в клетки, гены, ответственные за кодирование ферментов, должны были быть выделены и секвенированы, что было сделано с использованием бактерии E.coli , из которой ген AceA, ответственный за кодирование изоцитратлиазы , и AceB ген, ответственный за кодирование малатсинтазы . [18]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. Для того, чтобы успешно спроектировать этот путь, инженерам необходимо было бы слить ген с промоторами, которые можно было бы регулировать, чтобы повысить уровень экспрессии,и иметь выражение в правильных ячейках, напримерэпителиальные клетки . [19]

Попытки превратить этот путь в более сложных животных, таких как овцы, оказались неэффективными. 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 в организм млекопитающих выиграет от достижений в технологии переноса ядер , что позволит инженерам изучить и получить доступ к путям функциональной интеграции в геноме до его передачи животным. [18]

Однако есть возможные преимущества отсутствия цикла в клетках млекопитающих. Этот цикл присутствует у микроорганизмов , вызывающих заболевание, но отсутствует у млекопитающих, например у человека. Существует большая вероятность того, что разработка антибиотиков будет атаковать глиоксилатный цикл, которые убьют болезнетворные микроорганизмы, выживание которых зависит от цикла, но не причинят вреда людям, в которых цикл, и, следовательно, ферментам, которые антибиотик бы нацелены, отсутствуют. [2]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e Кондрашов Ф.А., Кунин Е.В., Моргунов И.Г., Финогенова Т.В., Кондрашова М.Н. (октябрь 2006 г.). «Эволюция ферментов глиоксилатного цикла в Metazoa: свидетельство множественных событий горизонтального переноса и образования псевдогена» . Биология Директ . 1 : 31. DOI : 10.1186 / 1745-6150-1-31 . PMC  1630690 . PMID  17059607 .
  2. ^ а б в г Лоренц М.К., Финк Г.Р. (октябрь 2002 г.). «Жизнь и смерть в макрофаге: роль глиоксилатного цикла в вирулентности» . Эукариотическая клетка . 1 (5): 657–62. DOI : 10.1128 / EC.1.5.657-662.2002 . PMC 126751 . PMID 12455685 .  
  3. ^ Попов, Э.А.; Москалев Э.А.; Шевченко, МУ; Епринцев А.Т. (ноябрь 2005 г.). «Сравнительный анализ ключевого фермента глиоксилатного цикла изоцитратлиазы из организмов различных систематических групп». Журнал эволюционной биохимии и физиологии . 41 (6): 631–639. DOI : 10.1007 / s10893-006-0004-3 .
  4. ^ Берг JM, Tymoczko JL, Stryer L (2002). Биохимия . Нью-Йорк: WH Freeman.
  5. Перейти ↑ Lorenz MC, Fink GR (июль 2001 г.). «Глиоксилатный цикл необходим для грибковой вирулентности». Природа . 412 (6842): 83–6. DOI : 10.1038 / 35083594 . PMID 11452311 . 
  6. ^ Данн MF, Рамирес-Трухильо JA, Эрнандес-Лукас I (октябрь 2009 г.). «Основные роли изоцитратлиазы и малатсинтазы в бактериальном и грибковом патогенезе» . Микробиология . 155 (Pt 10): 3166–75. DOI : 10.1099 / mic.0.030858-0 . PMID 19684068 . 
  7. ^ В.Н. Попов; Е.А. Москалев; М.Ю. Шевченко; А.Т. Епринцев (декабрь 2005 г.). «Сравнительный анализ ключевого фермента изоцитрат-лиазы глиоксилатного цикла из организмов различных систематических групп». Журнал эволюционной биохимии и физиологии . 41 (6): 631–639. DOI : 10.1007 / s10893-006-0004-3 .
  8. Перейти ↑ Davis WL, Goodman DB (декабрь 1992 г.). «Доказательства глиоксилатного цикла в печени человека». Анатомическая запись . 234 (4): 461–8. DOI : 10.1002 / ar.1092340402 . PMID 1456449 . 
  9. ^ а б Дэвис В.Л., Джонс Р.Г., Фармер Г.Р., Дикерсон Т., Кортинас Е., Купер О.Дж., Кроуфорд Л., Гудман Д.Б. (июль 1990 г.). «Идентификация ферментов глиоксилатного цикла в печени цыплят - эффект витамина D3: цитохимия и биохимия». Анатомическая запись . 227 (3): 271–84. DOI : 10.1002 / ar.1092270302 . PMID 2164796 . 
  10. ^ 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.
  11. ^ Дэвис WL, Goodman DB, Кроуфорд LA, Купер OJ, Мэтьюз JL (март 1990). «Гибернация активирует глиоксилатный цикл и глюконеогенез в бурой жировой ткани черного медведя». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток . 1051 (3): 276–8. DOI : 10.1016 / 0167-4889 (90) 90133-X . PMID 2310778 . 
  12. ^ Джонс JD, Бернетт P, Zollman P (октябрь 1999). «Глиоксилатный цикл: работает ли он у спящего или активного медведя?». Сравнительная биохимия и физиология. Часть B, Биохимия и молекулярная биология . 124 (2): 177–9. DOI : 10.1016 / S0305-0491 (99) 00109-1 . PMID 10584301 . 
  13. ^ Strittmatter L, Li Y, Nakatsuka NJ, Кальво SE, Grabarek Z, Mootha В.К. (май 2014). «CLYBL представляет собой полиморфный человеческий фермент с активностью малатсинтазы и β-метилмалатсинтазы» . Молекулярная генетика человека . 23 (9): 2313–23. DOI : 10,1093 / HMG / ddt624 . PMC 3976331 . PMID 24334609 .  
  14. ^ Дэвис WL, Джонс RG, Фармер GR, Кортинас E, Мэтьюз JL, Goodman DB (1989). «Глиоксилатный цикл в эпифизарном хряще крысы: влияние витамина D3 на активность ферментов изоцитратлиазы и малатсинтазы». Кость . 10 (3): 201–6. DOI : 10.1016 / 8756-3282 (89) 90054-9 . PMID 2553083 . 
  15. ^ Cheah HL, Лим В, D Сандай (апрель 2014). «Ингибиторы фермента глиоксилатного цикла ICL1 в Candida albicans для потенциального использования в качестве противогрибковых средств» . PLOS ONE . 9 (4): e95951. Bibcode : 2014PLoSO ... 995951C . DOI : 10.1371 / journal.pone.0095951 . PMC 4004578 . PMID 24781056 .  
  16. ^ Bhusal Р.П., Bashiri G, Квай ВХ, Сперри Дж, Leung ИК (июль 2017 г.). «Нацеливание на изоцитратлиазу для лечения латентного туберкулеза». Открытие наркотиков сегодня . 22 (7): 1008–1016. DOI : 10.1016 / j.drudis.2017.04.012 . PMID 28458043 . 
  17. ^ Ли Ю. В., Вахаб HA, Choong YS (2015). «Потенциальные ингибиторы изоцитратлиазы Mycobacterium tuberculosis и не-M. tuberculosis: резюме» . BioMed Research International . 2015 : 895453. дои : 10,1155 / 2015/895453 . PMC 4306415 . PMID 25649791 .  
  18. ^ a b c Ward KA (март 2000 г.). «Трансген-опосредованные модификации биохимии животных». Тенденции в биотехнологии . 18 (3): 99–102. DOI : 10.1016 / S0167-7799 (99) 01417-1 . PMID 10675896 . 
  19. ^ Уорд, Кевин; CD Nancarrow (1 сентября 1991 г.). «Генная инженерия производственных признаков домашних животных». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 47 (9): 913–922. DOI : 10.1007 / BF01929882 . PMID 1915775 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Сравнительный анализ ключевого фермента изоцитрат-лиазы глиоксилатного цикла из организмов различных систематических групп