Глиоксилатный цикл - Glyoxylate cycle

Обзор цикла глиоксилата

В глиоксилатный цикл, вариант цикл трикарбоновых кислот, является анаболический путь, происходящий в растения, бактерии, протисты, и грибы. В глиоксилат цикл сосредоточен на преобразовании ацетил-КоА к сукцинат для синтеза углеводы.[1] У микроорганизмов глиоксилатный цикл позволяет клеткам использовать два атома 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 нематоды на ранних этапах эмбриогенеза. Однако в последние годы обнаружение малатсинтаза (MS) и изоцитратлиаза (ICL), ключевые ферменты, участвующие в глиоксилатном цикле, в некоторых тканях животных подняли вопросы относительно эволюционного отношения ферментов в бактерии и животные и предполагает, что животные кодируют альтернативные ферменты цикла, которые отличаются по функции 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, называемую 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

В глиоксилатном цикле используются пять из восьми ферментов, связанных с цикл трикарбоновых кислот: цитрат-синтаза, аконитаза, сукцинатдегидрогеназа, фумараза, и малатдегидрогеназа. Эти два цикла отличаются тем, что в глиоксилатном цикле, изоцитрат превращается в глиоксилат и сукцинат изоцитратлиазой (ICL) вместо α-кетоглутарата.[1] Это позволяет обойти этапы декарбоксилирования, которые имеют место в цикле лимонной кислоты (цикл TCA), что позволяет использовать простые углеродные соединения в более позднем синтезе макромолекул, включая глюкозу.[2] Глиоксилат впоследствии сочетается с ацетил-КоА производить малат, катализируемый малатсинтазой.[1] Малат также образуется параллельно из сукцината под действием сукцинатдегидрогеназы и фумаразы.

Роль в глюконеогенезе

Жирные кислоты из липиды обычно используются позвоночными в качестве источника энергии, поскольку жирные кислоты разлагаются бета-окисление в молекулы ацетата. Этот ацетат, связанный с активным тиол группа кофермент А, входит в цикл лимонной кислоты (Цикл TCA), где он полностью окисленный к углекислый газ. Таким образом, этот путь позволяет клетки чтобы получить энергия 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, требуют очень большого количества углеводы в течение рост для биосинтеза сложных структурных полисахариды, такие как целлюлоза, глюканы, и хитин. В этих организмах при отсутствии доступных углеводов (например, в определенных микробных средах или во время прорастание семян в растениях) глиоксилатный цикл позволяет синтез глюкозы 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, катализируемом первым ферментом глиоксилатного цикла, изоцитратлиаза, изоцитрат расщепляется на сукцинат и глиоксилат (последнее дает название циклу). Глиоксилат конденсируется с ацетил-КоА (стадия, катализируемая малатсинтаза ), давая малат. Обе малат и оксалоацетат может быть преобразован в фосфоенолпируват, который является продуктом фосфоенолпируваткарбоксикиназа, первый фермент в глюконеогенез. 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

Растения

У растений глиоксилат цикл происходит в особых пероксисомы которые называются глиоксисомы. Этот цикл позволяет семенам использовать липиды в качестве источника энергии для формирования побегов во время прорастание. 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 поглощать 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 электронная транспортная цепь.[4]

Патогенные грибы

Глиоксилатный цикл может служить совершенно другой цели у некоторых видов патогенных микроорганизмов. грибы. 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 меньше. ядовитый 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 значительным фактором патогенез из этих микробы.[5][6]

Позвоночные

Когда-то считалось, что позвоночные не могут выполнять этот цикл, потому что не было доказательств того, что два его ключевых ферменты, изоцитратлиаза и малатсинтаза. 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 в млекопитающие: например, в одной статье говорится, что глиоксилатный цикл активен у медведей 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]

Подавление глиоксилатного цикла

Из-за центральной роли глиоксилат цикл метаболизма патогенных видов, включая грибы и бактерии, ферменты глиоксилатного цикла являются текущими мишенями ингибирования для лечения заболеваний. Большинство зарегистрированных ингибиторов глиоксилатного цикла нацелены на первый фермент цикла (ICL). Сообщалось об ингибиторах для грибковые микроорганизмы албиканс для потенциального использования в качестве противогрибковых средств.[15] Цикл микобактериального глиоксилата также предназначен для потенциального лечения туберкулез.[16][17]

Инженерные концепции

Перспектива инжиниринга различных метаболические пути в млекопитающие которые не обладают ими, сегодня представляет большой интерес для биоинженеров. 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. Путем введения этого пути в овцу большие запасы ацетата в клетках могут быть использованы для синтеза глюкоза через цикл, что позволяет увеличить производство шерсти.[18] Млекопитающие неспособны выполнять этот путь из-за отсутствия двух ферментов, изоцитратлиаза и малатсинтаза, которые необходимы для того, чтобы цикл имел место. Некоторые считают, однако, что гены, вырабатывающие эти ферменты, являются псевдогенный у млекопитающих, что означает, что ген не обязательно отсутствует, скорее, он просто «выключен».[1]

Чтобы спроектировать путь в клетки, гены, ответственные за кодирование ферментов, должны быть изолированы и секвенированы, что было сделано с использованием бактерий. Кишечная палочка, из которого ген AceA, ответственный за кодирование изоцитратлиаза, и ген AceB, ответственный за кодирование малат синтазы были секвенированы.[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. Чтобы успешно спроектировать этот путь, инженеры должны были бы слить ген с промоторами, которые можно было бы регулировать, чтобы повысить уровень экспрессии, и иметь экспрессию в нужных клетках, таких как эпителиальные клетки.[19]

Попытки превратить этот путь в более сложных животных, таких как овцы, оказались неэффективными. Это иллюстрирует, что необходимо провести гораздо больше исследований по этой теме, и предполагает, что, возможно, высокая экспрессия цикла у животных будет недопустима химическим составом клетки. Включение цикла в организм млекопитающих выиграет от достижений в технология передачи 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. Цикл присутствует в микроорганизмы которые вызывают заболевание, но отсутствуют у млекопитающих, например человека. Есть сильный правдоподобие разработки антибиотиков, которые атакуют глиоксилат цикл, который убивает болезнетворные микроорганизмы, выживание которых зависит от цикла, но не причиняет вреда людям, если цикл и, следовательно, ферменты, на которые нацелен антибиотик, отсутствуют.[2]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Кондрашов Ф.А., Кунин Е.В., Моргунов И.Г., Финогенова Т.В., Кондрашова М.Н. (октябрь 2006 г.). «Эволюция ферментов глиоксилатного цикла у Metazoa: свидетельство множественных событий горизонтального переноса и образования псевдогена». Биология Директ. 1: 31. Дои:10.1186/1745-6150-1-31. ЧВК  1630690. PMID  17059607.
  2. ^ а б c d Лоренц М.С., Финк Г.Р. (октябрь 2002 г.). «Жизнь и смерть в макрофаге: роль глиоксилатного цикла в вирулентности». Эукариотическая клетка. 1 (5): 657–62. Дои:10.1128 / EC.1.5.657-662.2002. ЧВК  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. Дои:10.1007 / s10893-006-0004-3.
  4. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). Биохимия. Нью-Йорк: У. Х. Фриман.
  5. ^ Лоренц М.С., Финк Г.Р. (июль 2001 г.). «Глиоксилатный цикл необходим для грибковой вирулентности». Природа. 412 (6842): 83–6. Дои:10.1038/35083594. PMID  11452311.
  6. ^ Данн М.Ф., Рамирес-Трухильо Х.А., Эрнандес-Лукас I (октябрь 2009 г.). «Основные роли изоцитратлиазы и малатсинтазы в бактериальном и грибковом патогенезе». Микробиология. 155 (Pt 10): 3166–75. Дои:10.1099 / мик ..0.030858-0. PMID  19684068.
  7. ^ В. Н. Попов; Москалев Е.А.; М. У. Шевченко; Епринцев А.Т. (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. Дои:10.1007 / s10893-006-0004-3.
  8. ^ Дэвис WL, Goodman DB (декабрь 1992 г.). «Доказательства глиоксилатного цикла в печени человека». Анатомический рекорд. 234 (4): 461–8. Дои:10.1002 / ар.1092340402. PMID  1456449.
  9. ^ 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 печени цыплят - эффект витамина D3: цитохимия и биохимия». Анатомический рекорд. 227 (3): 271–84. Дои:10.1002 / ар.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 В. Л., Гудман Д. Б., Кроуфорд Л. А., Купер О. Д., Мэтьюз Д. Л. (март 1990 г.). «Гибернация активирует глиоксилатный цикл и глюконеогенез в бурой жировой ткани черного медведя». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток. 1051 (3): 276–8. Дои:10.1016 / 0167-4889 (90) 90133-Х. PMID  2310778.
  12. ^ Джонс Дж. Д., Бернетт П., Золлман П. (октябрь 1999 г.). «Глиоксилатный цикл: работает 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. PMID  10584301.
  13. ^ Strittmatter L, Li Y, Nakatsuka NJ, Calvo SE, Grabarek Z, Mootha VK (май 2014 г.). «CLYBL - это полиморфный человеческий фермент с активностью малатсинтазы и β-метилмалатсинтазы». Молекулярная генетика человека. 23 (9): 2313–23. Дои:10.1093 / hmg / ddt624. ЧВК  3976331. PMID  24334609.
  14. ^ 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. PMID  2553083.
  15. ^ Cheah HL, Lim V, Sandai D (апрель 2014 г.). «Ингибиторы фермента глиоксилатного цикла ICL1 в Candida albicans для потенциального использования в качестве противогрибковых средств». PLOS ONE. 9 (4): e95951. Bibcode:2014PLoSO ... 995951C. Дои:10.1371 / journal.pone.0095951. ЧВК  4004578. PMID  24781056.
  16. ^ Бхусал Р.П., Башири Дж., Квай Б.Х., Сперри Дж., Люнг И.К. (июль 2017 г.). «Нацеливание на изоцитратлиазу для лечения латентного туберкулеза». Открытие наркотиков сегодня. 22 (7): 1008–1016. Дои:10.1016 / j.drudis.2017.04.012. PMID  28458043.
  17. ^ Ли Ю.В., Вахаб Х.А., Чунг Ю.С. (2015). «Потенциальные ингибиторы изоцитратлиазы Mycobacterium tuberculosis и не-M. tuberculosis: резюме». BioMed Research International. 2015: 895453. Дои:10.1155/2015/895453. ЧВК  4306415. PMID  25649791.
  18. ^ а б c Уорд К.А. (март 2000 г.). «Трансген-опосредованные модификации биохимии животных». Тенденции в биотехнологии. 18 (3): 99–102. Дои:10.1016 / S0167-7799 (99) 01417-1. PMID  10675896.
  19. ^ Уорд, Кевин; К. Д. 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. PMID  1915775.

внешняя ссылка