GLYOXYLÁTOVÝ CYKLUS: CHARAKTERISTIKA, REAKCE, REGULACE, FUNKCE - BIOLOGIE - 2025

Glyoxylátový cyklus je metabolická cesta přítomny v rostlinách, v některých mikroorganismů a bezobratlých živočichů (chybí ve všech obratlovců), jehož prostřednictvím mohou tyto organismy přeměnit tuky na sacharidy (cukry).

Tato cesta byla objevena v roce 1957, zatímco Kornberg, Krebs a Beevers se snažili objasnit, jak by bakterie, jako je Escherichia coli, mohly růst v přítomnosti octanu jako jediného zdroje uhlíku a jak by klíčící sazenice výhonků (Ricinus communis) mohly přeměnit tuky na uhlohydráty.

Schéma glyoxylátového cyklu (Zdroj: Agrotman prostřednictvím Wikimedia Commons)

Studie těchto tří vědců vedly k objevu dvou enzymů známých jako isocitrát lyáza a malát syntáza, které společně s enzymy z Krebsova cyklu umožňují syntézu sukcinátu ze dvou molekul acetyl-coA.

Takto vyrobený sukcinát je přeměněn na malát v cyklu trikarboxylové kyseliny a později může být použit pro produkci glukózy glukoneogenezí.

Tato cesta se vyskytuje v rostlinách ve speciálních organelách zvaných glyoxysomy a je nezbytná pro přežití sazenic v časných stádiích klíčení.

vlastnosti

Glyoxylátová cesta může být viděna jako „modifikace“ Krebsova cyklu, s tím rozdílem, že v prvním případě nenastane oxidační dekarboxylace, ale z acetátových jednotek dvou mohou být vytvořeny čtyři dikarboxylové kyseliny uhlíku uhlíky.

Tato charakteristika glyoxylátového cyklu byla popsána jako způsob, že některé organismy se musí vyhnout („obejít“) ztrátě atomů uhlíku ve formě oxidu uhličitého, který identifikuje Krebsův cyklus.

V rostlinách probíhá glyoxylátový cyklus uvnitř cytosolických organel obklopených jednoduchou membránou známou jako glyoxysomy. Na druhé straně u jiných organismů, jako jsou kvasinky a řasy, se tato cesta vyskytuje v cytosolu.

Glyoxysomy jsou strukturně podobné peroxisomům (někteří autoři je považují za „specializované peroxisomy“), jiné organely odpovědné za část β-oxidace mastných kyselin a odstranění reaktivních kyslíkových druhů v eukaryotických organismech.

Uvnitř se mastné kyseliny oxidují za vzniku acetyl-CoA, který se následně kondenzuje na sloučeniny se čtyřmi atomy uhlíku. Tyto sloučeniny jsou selektivně transportovány do mitochondrií, kde jsou přeměněny na malát nebo transportovány do cytosolu za účelem vstupu do glukoneogenní dráhy (syntéza glukózy).

Enzymy sdílené mezi glyoxylátovou cestou a cyklem trikarboxylové kyseliny existují v mitochondrii a glyoxysomu jako isoenzymy, což znamená, že obě dráhy fungují více či méně nezávisle na sobě.

Výskyt glyoxysomů

Glyoxysomy nejsou v rostlinných tkáních trvale přítomny. Obzvláště se vyskytují při klíčení olejnatých semen, které mají malou fotosyntetickou kapacitu k produkci uhlohydrátů, které potřebují k růstu.

V plně vyvinutých rostlinách není jejich účast na metabolismu tuků tak nezbytná, protože cukry se získávají hlavně fotosyntézou.

Reakce

Acetát z rozkladu mastných kyselin funguje jako palivo bohaté na energii a jako zdroj fosfoenolpyruvátu pro syntézu glukózy pomocí glukoneogeneze. Postup je následující:

Kroky glyoxylátového cyklu

1 - Glyoxylátová cesta, podobná Krebsovu cyklu, začíná kondenzací molekuly acetyl-CoA s jinou oxaloacetátem za vzniku citrátu, což je reakce katalyzovaná enzymem citrát syntáza.

2- Enzym Aconitase převádí tento citrát na isocitrát.

3- Isocitrát se používá jako substrát pro enzym isocitrate lyázu za vzniku sloučenin sukcinátu a glyoxylátu.

Molekulární struktura enzymu Isocitrate Liasa (Zdroj: Vrabiochemhw přes Wikimedia Commons)

4 - Glyoxylát je absorbován enzymem malát syntázou za vzniku malátu jeho kondenzací s druhou molekulou acetyl-CoA.

5-Malát se převádí na oxaloacetát malátdehydrogenázou a tato sloučenina může sloužit jako prekurzor glukoneogenní dráhy nebo může být kondenzována s jiným acetyl-CoA pro opětovné spuštění cyklu.

6 Produkovaný sukcinát může být také převeden na fumarát a na malát, čímž se získá větší množství molekul oxaloacetátu pro tvorbu glukózy. Jinak může být tato molekula také exportována do mitochondrií, aby fungovala v Krebsově cyklu.

Oxaloacetát vstupuje do glukoneogenní dráhy pro produkci glukózy díky jeho přeměně na fosfoenolpyruvát, který je katalyzován enzymem fosfoenolpyruvát karboxykináza.

Nařízení

Protože cykly glyoxylátu a trikarboxylové kyseliny sdílejí mezi sebou četné meziprodukty, existuje mezi nimi koordinovaná regulace.

Kromě toho je nezbytné, aby existovaly kontrolní mechanismy, protože syntéza glukózy a dalších hexóz z acetyl-CoA (z odbourávání tuků) vyžaduje účast nejméně čtyř cest:

- β-oxidace mastných kyselin, které produkují molekuly acetyl-CoA nezbytné pro glyoxylátový i Krebsův cyklus a které se v rostlinách vyskytují v glyoxysomech.

- Glyoxylátový cyklus, který se také vyskytuje v glyoxysomech a který, jak bylo uvedeno, vytváří meziprodukty, jako je sukcinát, malát a oxaloacetát.

- Krebsův cyklus, který probíhá v mitochondriích a ve kterém se vyrábějí také meziprodukty sukcinát, malát a oxaloacetát.

- Glukoneogeneze, ke které dochází v cytosolu a která zahrnuje použití oxaloacetátu převedeného na fosfoenolpyruvát k syntéze glukózy.

Hlavní kontrolní bod je v enzymu isocitrate dehydrogenáza, jejíž regulace zahrnuje kovalentní modifikaci přidáním nebo odstraněním fosfátové skupiny.

Když je enzym fosforylovaný, je inaktivován, takže isocitrát je směřován k glyoxylátové cestě za účelem produkce glukózy.

Funkce

U rostlin je nezbytný glyoxylátový cyklus, zejména během procesu klíčení, protože degradace tuků uložených v semenech se používá pro syntézu glukózy ve fotosynteticky nerozvinutých tkáních.

Glukóza se používá jako zdroj pro získávání energie ve formě ATP nebo pro tvorbu komplexnějších uhlohydrátů se strukturálními funkcemi, ale některé meziprodukty generované během glyoxylátové dráhy mohou také sloužit k syntéze dalších buněčných složek.

V mikroorganismech

Hlavní funkcí glyoxylátového cyklu v mikroorganismech je poskytnout „alternativní“ metabolickou cestu, aby mikroorganismy mohly pro svůj růst využít jiné zdroje uhlíku a energie.

To je případ bakterie Escherichia coli, ve které, když se hladiny některých meziproduktů glykolýzy a cyklu cyklu kyseliny citronové sníží (isocitrát, 3-fosfoglycerát, pyruvát, fosfoenolpyruvát a oxaloacetát), enzym isocitrát dehydrogenáza (který účastní se Krebsova cyklu) je inhibován a isocitrát je směrován k glyoxylátové cestě.

Pokud je tato cesta aktivní, když bakterie rostou například v médiu bohatém na acetát, lze tento metabolit použít k syntéze karboxylových kyselin se čtyřmi atomy uhlíku, což může později vést k tvorbě energetických uhlohydrátů..

Ukázalo se, že u jiných organismů, jako jsou například houby, patogenita vysoce závisí na přítomnosti aktivního glyoxylátového cyklu, patrně z metabolických důvodů.

Reference

1. Dey, P., a Harborne, J. (1977). Biochemie rostlin. San Diego, Kalifornie: Academic Press.
2. Ensign, SA (2006). Revize cyklu glyoxylátu: alternativní cesty pro asimilaci mikrobiálního acetátu. Molecular Microbiology, 61 (2), 274–276.
3. Garrett, R., & Grisham, C. (2010). Biochemie (4. vydání). Boston, USA: Brooks / Cole. CENGAGE Učení.
4. Lorenz, MC, a Fink, GR (2001). Glyoxylátový cyklus je nutný pro fungální virulenci. Nature, 412, 83-86.
5. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biochemistry (3. vydání). San Francisco, Kalifornie: Pearson.
6. Rawn, JD (1998). Biochemie. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
7. Vallarino, JG, a Osorio, S. (2019). Organické kyseliny. V postharvest fyziologii a biochemii ovoce a zeleniny (s. 207–224). Elsevier Inc.