Глиоксилатный цикл

Глиоксила́тный цикл, или глиоксила́тный шунт[1] — анаболический путь, имеющийся у растений, бактерий, протистов и грибов, представляет собой видоизменённый цикл трикарбоновых кислот. Глиоксилатный цикл служит для превращения ацетил-СоА в сукцинат, который далее используется для синтеза углеводов[2]. У микроорганизмов он обеспечивает утилизацию простых углеродных соединений в качестве источника углерода, когда более сложные источники, например, глюкоза, недоступны[3], а также может считаться одной из анаплеротических реакций цикла трикарбоновых кислот, восполняющей количества сукцината и малата[1]. Считается, что у животных глиоксилатный цикл отсутствует (подтверждённое исключение составляют нематоды на ранних стадиях своего эмбриогенеза), однако в последние годы в некоторых тканях животных были обнаружены ключевые ферменты цикла — малатсинтаза и изоцитратлиаза[2][4].

Схема глиоксилатного цикла

Ферменты и реакции глиоксилатного цикла были открыты Хансом Корнбергом и Хансом Адольфом Кребсом[5].

Механизм

У растений, некоторых беспозвоночных и некоторых микроорганизмов (в том числе бактерии Escherichia coli и дрожжей) ацетат может служить как источником энергии, так и предшественником фосфоенолпирувата, который далее используется для синтеза углеводов. У этих организмов ферменты глиоксилатного цикла катализируют превращение ацетата в сукцинат:

2 Ацетил-СоА + NAD+ + 2H2O → сукцинат + 2СоА + NADH + H+.

В ходе глиоксилатного цикла ацетил-СоА соединяется с оксалоацетатом с образованием цитрата, а цитрат превращается в изоцитрат, как и в цикле трикарбоновых кислот. Однако следующим шагом является не отщепление от изоцитрата водорода ферментом изоцитратдегидрогеназой, а расщепление изоцитрата на сукцинат и глиоксилат под дейстствием изоцитратлиазы. Механизм этой альдольной реакции показан ниже:

Глиоксилат после этого конденсируется со второй молекулой ацетил-СоА, образуя малат под действием малатсинтазы, а сукцинат покидает цикл. Малат далее окисляется в оксалоацетат, который может соединиться с новой молекулой ацетил-СоА и начать новый оборот цикла. В ходе каждого оборота глиоксилатного цикла используются две молекулы ацетил-СоА и образуется одна молекула сукцината, который в дальнейшем может использоваться в биосинтетических процессах. Сукцинат может быть преобразован через фумарат и малат в оксалоацетат, который далее может превратиться в фосфоенолпируват под действием фосфоенолпируваткарбоксикиназы, а фосфоенолпируват в ходе глюконеогенеза даёт глюкозу. У животных глиоксилатный цикл не происходит, и в связи с этим они неспособны получать глюкозу из липидов (ацетил-СоА образуется при β-окислении жирных кислот)[6].

Функции у различных организмов

Растения
Глиоксисома

У растений ферменты глиоксилатного цикла находятся в мембраносвязанных органеллах — глиоксисомах, представляющих собой специализированные пероксисомы (названы по протекающему в них циклу[7]). Ферменты, одновременно участвующие и в цикле трикарбоновых кислот, и в глиоксилатном цикле, имеют по два изофермента, один из которых локализуется в митохондриях, а другой — в глиоксисомах. Глиоксисомы не присутствуют постоянно во всех растительных тканях. Они образуются в богатых липидами семенах при их прорастании, ещё до того, как развивающееся растение сможет само образовывать глюкозу в ходе фотосинтеза. Кроме ферментов глиоксилатного цикла, в глиоксисомах находятся все ферменты, необходимые для деградации жирных кислот, запасённых к семенах. Ацетил-СоА, образующийся при β-окислении жирных кислот, превращается в сукцинат в ходе глиоксилатного цикла, и сукцинат транспортируется в митохондрии, где он вовлекается в цикл трикарбоновых кислот и превращается в малат. Цитозольный изофермент малатдегидрогеназы окисляет малат до оксалоацетата, который в свою очередь может превратиться в фосфоенолпируват. Последний вовлекается в глюконеогенез и даёт в конечном итоге глюкозу. Таким образом, прорастающее семя может переводить углерод, запасённый в липидах, в глюкозу[6].

Грибы и микроорганизмы

У грибов ферменты глиоксилатного цикла локализуются в пероксисомах. У некоторых патогенных грибов глиоксилатный цикл может служить для совершенно других целей. Концентрация двух ключевых ферментов цикла — изоцитратлиазы и малатсинтазы — значительно возрастает при контакте гриба с человеком, которого этот гриб поражает. У некоторых видов таких грибов мутанты, лишённые изоцитратлиазы, имеют сниженную вирулентность по сравнению с диким типом, как показали исследования на мышах. Причины такой связи в настоящий момент исследуются, однако можно заключить, что глиоксилатный цикл необходим для поддержания вирулентности этих патогенов[8].

Согласно новейшим данным, у растений и грибов ферменты глиоксилатного цикла локализованы не только внутри глиоксисомы: некоторые из них находятся снаружи, поэтому протекание глиоксилатного цикла включает транспорт некоторых его промежуточных соединений через мембрану пероксисомы[9].

Благодаря наличию глиоксилатного цикла некоторые микроорганизмы могут расти в среде, содержащей ацетат или жирные кислоты в качестве единственного источника углерода[10].

Животные

Принято считать, что животные неспособны к осуществлению глиоксилатного цикла, поскольку до недавнего времени не было никаких доказательств наличия у них двух ключевых ферментов цикла — изоцитратлиазы и малатсинтазы. Однако некоторые исследования показывают, что этот цикл имеется у некоторых, если не всех, позвоночных[4][11]. В частности, некоторые исследования показали, что компоненты глиоксилатного цикла присутствуют в больших количествах в печени курицы. Эти и подобные им данные дают основания предполагать, что теоретически глиоксилатный цикл может осуществляться и более сложно организованными позвоночными[12]. Другие исследования приводят доказательства того, что глиоксилатный цикл имеется у некоторых насекомых и морских беспозвоночных, а также нематод (в последнем случае наличие глиоксилатного цикла чётко подтверждено). Впрочем, другие исследования такие выводы опровергают[13]. По поводу наличия цикла у млекопитающих также нет единого мнения: например, в одной работе указывается, что глиоксилатный цикл активен у медведей в зимней спячке[14], однако более поздние исследования оспаривают этот вывод[15]. С другой стороны, в геномах плацентарных млекопитающих не было идентифицировано ни одного гена, который кодировал бы изоцитратлиазу и малатсинтазу, хотя, по-видимому, малатсинтаза может быть активна у неплацентарных млекопитающих и других позвоночных[2]. Более того, предполагается, что гены, кодирующие эти ферменты, у млекопитающих находятся в виде псевдогенов, то есть такие гены не совершенно отсутствуют у млекопитающих, а лишь находятся в «выключенном» состоянии[2]. Возможно, в регуляцию глиоксилатного цикла у позвоночных вовлечён витамин D[12][16].

Впрочем, в отсутствии глиоксилатного цикла в клетках млекопитающих есть и свои выгоды. Наличие глиоксилатного цикла у некоторых патогенных микроорганизмов и отсутствие его у людей даёт возможности для создания антибиотиков, блокирующих это цикл: они были бы губительны для зависимых от глиоксилатного цикла микроорганизмов и при этом безвредны для людей[3].

Регуляция

В прорастающих семенах ферментативные превращения дикарбоновых и трикарбоновых кислот происходят в трёх внутриклеточных компартментах: митохондриях, глиоксисомах и цитозоле. Между этими компартментами существует постоянный обмен метаболитами (см. внешнее изображение)[17].

Углеродный скелет оксалоацетата из цикла трикарбоновых кислот (протекает в митохондриях) переносится в глиоксисомы в форме аспартата. Там аспартат превращается в оксалоацетат, который конденсируется с ацетил-СоА, образовавшимся при окислении жирных кислот. Образующийся при этом цитрат под действием аконитазы переводится в изоцитрат, который далее распадается на глиоксилат и сукцинат под действием изоцитратлиазы. Сукцинат возвращается в митохондрию, где он вовлекается в цикл трикарбоновых кислот и превращается в малат, который переносится в цитоплазму и под действием цитозольной малатдегидрогеназы окисляется в оксалоацетат. В ходе глюконеогенеза оксалоацетат превращается в гексозы и сахарозу, которые могут доставляться в растущие корни и побег. Таким образом, во всех этих превращениях задействованы 4 различных биохимических процесса: окисление жирных кислот до ацетил-СоА (в глиоксисомах), глиоксилатный цикл (в глиоксисомах), цикл трикарбоновых кислот (в митохондрии) и глюконеогенез (в цитозоле)[17].

Наличие общих метаболитов у этих процессов требует их координированной регуляции. Важнейшим из этих соединений является изоцитрат, служащий «точкой расхождения» глиоксилатного цикла и цикла трикарбоновых кислот. Изоцитратдегидрогеназа регулируется при помощи ковалентных модификаций: специфическая протеинкиназа фосфорилирует её и тем самым инактивирует. Эта инактивация приводит к тому, что изоцитрат не может далее участвовать в цикле трикарбоновых кислот и направляется в глиоксилатный цикл, где он становится предшественником для синтеза глюкозы. Фосфопротеинфосфатаза удаляет фосфорильную группу с изоцитратдегидрогеназы, вновь активируя фермент, и большая часть изоцитрата направляется в цикл трикарбоновых кислот, где из него извлекается энергия. Регуляторные ферментативные активности протеинкиназы и фосфопротеинфосфатазы осуществляются одним полипептидом[17].

Некоторые бактерии, в том числе E. coli, имеют в цитозоле полный набор ферментов гликосилатного цикла и цикла трикарбоновых кислот и поэтому могут расти на ацетате как единственном источнике углерода и энергии. Фосфопротеинфосфатаза, активирующая изоцитратдегидрогеназу, стимулируется промежуточными соединениями цикла трикарбоновых кислот и гликолиза, которые служат индикаторами того, что клетка в достаточной мере обеспечена энергией. Те же метаболиты подавляют протеинкиназную активность этого регуляторного полипептида. Поэтому накопление промежуточных продуктов центральных путей, обеспечивающих клетку энергией, свидетельствующее о нехватке энергии, активирует изоцитратдегидрогеназу. Когда концентрация этих веществ падает, свидетельствуя о достаточном снабжении исходными продуктами цикла трикарбоновых кислот, изоцитратдегидрогеназа инактивируется протеинкиназой[17].

Те же соединения гликолиза и цикла трикарбоновых кислот, которые активируют изоцитратдегидрогеназу, являются аллостерическими ингибиторами изоцитратлиазы. Когда скорость энергетического обмена достаточно высока, чтобы поддерживать концентрацию промежуточных соединений глиоксилатного цикла и цикла трикарбоновых кислот низкой, изоцитратдегидрогеназа инактивирована, а ингибирование изоцитратлиазы прекращается, и изоцитрат вовлекается в глиоксилатный цикл, где он будет использован для биосинтеза углеводов, аминокислот и других клеточных компонентов[17].

Биоинженерия

В настоящее время большой интерес для биоинженеров представляет внедрение в млекопитающих тех метаболических путей, которые у них от природы отсутствуют. Одним из таких путей, которые биоинженеры пробовали внедрить в клетки млекопитающих, был глиоксилатный цикл. Интерес к нему был вызван увеличивающимися объёмами получения овечьей шерсти, для которого необходимо большое количество глюкозы. Если бы удалось внедрить это цикл овцам, то огромные запасы ацетата, имеющиеся в клетках, были бы использованы для получения глюкозы, а это, в свою очередь, позволило бы увеличить объёмы получаемой овечьей шерсти[18].

Из ДНК E. coli были выделены и секвенированы два гена, необходимых для глиоксилатного цикла: AceA, кодирующий изоцитратлиазу, и AceB, кодирующий малатсинтазу[18]. После этого эти гены можно было успешно вставить в ДНК клеток культуры тканей млекопитающих, где они бы транскрибировались и транслировались в соответствующие ферменты без всякого вреда для самой клетки, обеспечивая тем самым возможность протекания глиоксилатного цикла. Однако внедрить таким образом этот путь в трансгенных мышей оказалось непросто. Хотя эти гены и экспрессировались в клетках печени и тонкой кишки, уровень их экспрессии был невысок и нестабилен. Чтобы решить эту проблему, можно было бы слить эти гены с промоторами, чтобы увеличить уровень их экспрессии и сделать её возможной и в таких клетках, как эпителиальные[19].

Однако попытки внедрения цикла в более сложно организованных животных, в частности, овец, не увенчались успехом. Это может говорить о том, что высокий уровень экспрессии генов глиоксилатного цикла привёл бы к губительным последствиям для клетки. Определённую пользу для внедрения глиоксилатного цикла в клетки млекопитающих, возможно, принесло бы терапевтическое клонирование, которые дало бы исследователям возможность проверить функциональную интеграцию генов цикла в геноме до внедрения непосредственно в организм[18].

Примечания
  1. Нетрусов А. И., Котова И. Б. Микробиология. — 4-е изд., перераб. и доп.. — М.: Издательский центр «Академия», 2012. — С. 128. — 384 с. — ISBN 978-5-7695-7979-0.
  2. Kondrashov F. A., Koonin E. V., Morgunov I. G., Finogenova T. V., Kondrashova M. N. Evolution of glyoxylate cycle enzymes in Metazoa: evidence of multiple horizontal transfer events and pseudogene formation. (англ.) // Biology direct. — 2006. — Vol. 1. — P. 31. — doi:10.1186/1745-6150-1-31. — PMID 17059607.
  3. Lorenz M. C., Fink G. R. Life and death in a macrophage: role of the glyoxylate cycle in virulence. (англ.) // Eukaryotic cell. — 2002. — Vol. 1, no. 5. — P. 657—662. — PMID 12455685.
  4. Popov E. A., Moskalev E. A., Shevchenko M. U., Eprintsev A. T. Comparative analysis of glyoxylate cycle key enzyme isocitrate lyase from organisms of different systematic groups // Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. — 2005. — Vol. 41, № 6. — P. 631–639. — doi:10.1007/s10893-006-0004-3.
  5. Bryan A. Wilson, Jonathan C. Schisler, Monte S. Willis. Sir Hans Adolf Krebs: Architect of Metabolic Cycles // LabMedicine. — 2010. — Т. 41. — С. 377—380. — doi:10.1309/LMZ5ZLAC85GFMGHU. (недоступная ссылка)
  6. Nelson, Cox, 2008, p. 638.
  7. Хелдт, 2011, с. 315.
  8. Lorenz M. C., Fink G. R. The glyoxylate cycle is required for fungal virulence. (англ.) // Nature. — 2001. — Vol. 412, no. 6842. — P. 83—86. — doi:10.1038/35083594. — PMID 11452311.
  9. Kunze M., Pracharoenwattana I., Smith S. M., Hartig A. A central role for the peroxisomal membrane in glyoxylate cycle function. (англ.) // Biochimica et biophysica acta. — 2006. — Vol. 1763, no. 12. — P. 1441—1452. — doi:10.1016/j.bbamcr.2006.09.009. — PMID 17055076.
  10. Глиоксилатный цикл — статья из Биологического энциклопедического словаря
  11. Davis W. L., Goodman D. B. Evidence for the glyoxylate cycle in human liver. (англ.) // The Anatomical record. — 1992. — Vol. 234, no. 4. — P. 461—468. — doi:10.1002/ar.1092340402. — PMID 1456449.
  12. Davis W. L., Jones R. G., Farmer G. R., Dickerson T., Cortinas E., Cooper O. J., Crawford L., Goodman D. B. Identification of glyoxylate cycle enzymes in chick liver--the effect of vitamin D3: cytochemistry and biochemistry. (англ.) // The Anatomical record. — 1990. — Vol. 227, no. 3. — P. 271—284. — doi:10.1002/ar.1092270302. — PMID 2164796.
  13. Storrey, Kenneth. Functional Metabolism: Regulation and Adaption (англ.). — Hobocken, New Jersey: John Wiley and Sons, Inc., 2004. — P. 221—223. — ISBN 0-471-41090-X.
  14. Davis W. L., Goodman D. B., Crawford L. A., Cooper O. J., Matthews J. L. Hibernation activates glyoxylate cycle and gluconeogenesis in black bear brown adipose tissue. (англ.) // Biochimica et biophysica acta. — 1990. — Vol. 1051, no. 3. — P. 276—278. — PMID 2310778.
  15. Jones J. D., Burnett P., Zollman P. The glyoxylate cycle: does it function in the dormant or active bear? (англ.) // Comparative biochemistry and physiology. Part B, Biochemistry & molecular biology. — 1999. — Vol. 124, no. 2. — P. 177—179. — PMID 10584301.
  16. Davis W. L., Jones R. G., Farmer G. R., Cortinas E., Matthews J. L., Goodman D. B. The glyoxylate cycle in rat epiphyseal cartilage: the effect of vitamin-D3 on the activity of the enzymes isocitrate lyase and malate synthase. (англ.) // Bone. — 1989. — Vol. 10, no. 3. — P. 201—206. — PMID 2553083.
  17. Nelson, Cox, 2008, p. 639.
  18. Ward K. A. Transgene-mediated modifications to animal biochemistry. (англ.) // Trends in biotechnology. — 2000. — Vol. 18, no. 3. — P. 99—102. — PMID 10675896.
  19. Ward K. A., Nancarrow C. D. The genetic engineering of production traits in domestic animals. (англ.) // Experientia. — 1991. — Vol. 47, no. 9. — P. 913—922. — PMID 1915775.

Литература
  • Хелдт Г.—В. Биохимия растений. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. — 463 с. — ISBN 978-5-94774-795-5.
  • David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of biochemistry. — Fifth edition. — New York: W. H. Freeman and company, 2008. — 1158 p. — ISBN 978-0-7167-7108-1.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.