CICLUL GLIOXILAT: CARACTERISTICI, REACȚII, REGLARE, FUNCȚII - BIOLOGIE - 2025

Ciclul glioxilat este o cale metabolică prezentă în plante, în unele microorganisme și la animale nevertebrate (absente la toate vertebratele), prin care aceste organisme pot transforma grasimile in carbohidrati (zaharuri).

Această rută a fost descoperită în 1957, în timp ce Kornberg, Krebs și Beevers încercau să elucideze modul în care bacteriile precum Escherichia coli puteau crește în prezența acetatului ca unică sursă de carbon și cum răsadurile germinative de spurge (Ricinus communis) puteau transforma grăsimile în hidrati de carbon.

Schema ciclului de glioxilat (Sursa: Agrotman prin Wikimedia Commons)

Studiile efectuate de acești trei cercetători au dus la descoperirea a două enzime cunoscute sub numele de izocitrat liza și malata sintază, care, împreună cu enzimele ciclului Krebs, permit sinteza succinatului din două molecule acetil-coA.

Sucinatul astfel produs este transformat în malat prin ciclul acidului tricarboxilic și mai târziu poate fi utilizat pentru producerea de glucoză prin gluconeogeneză.

Această cale apare la plante, în organele speciale numite glicoxizi și este esențială pentru supraviețuirea răsadurilor în primele etape ale germinării.

caracteristici

Calea glicoxilatului poate fi văzută ca o „modificare” a ciclului Krebs, cu diferența că decarboxilarea oxidativă nu are loc în prima, dar patru acizi dicarboxilici de carbon pot fi formați din unități de acetat de două atomi de carbon.

Această caracteristică a ciclului glicoxilat a fost descrisă ca o modalitate prin care unele organisme trebuie să evite („bypass”) pierderea atomilor de carbon sub formă de dioxid de carbon care identifică ciclul Krebs.

La plante, ciclul glicoxilatului are loc în organele citosolice înconjurate de o membrană simplă cunoscută sub numele de glicoxizi. În alte organisme, cum ar fi drojdiile și algele, pe de altă parte, această cale apare în citosol.

Glicoxizii sunt similari structural cu peroxisomii (unii autori îi consideră „peroxisomi specializați”), alți organeli responsabili pentru o parte din β-oxidarea acizilor grași și pentru eliminarea speciilor reactive de oxigen din organismele eucariote.

În interior, acizii grași sunt oxidați pentru a produce acetil-CoA, care este condensat ulterior în compuși cu patru atomi de carbon. Acești compuși sunt transportați selectiv în mitocondrii, unde sunt convertiți în malat sau transportați la citosol pentru a intra pe calea gluconeogenă (sinteza glucozei).

Enzimele împărțite între calea glicoxilatului și ciclul acidului tricarboxilic există în mitocondrii și glicozom ca izoenzime, ceea ce înseamnă că ambele căi funcționează mai mult sau mai puțin independent unul de celălalt.

Apariția glicoxizomilor

Glicoxizii nu sunt prezenți permanent în țesuturile plantelor. Sunt deosebit de abundente în timpul germinării semințelor oleaginoase, care au o capacitate fotosintetică mică de a produce carbohidrații de care au nevoie pentru a crește.

La plantele complet dezvoltate, participarea lor la metabolismul grăsimilor nu este atât de esențială, deoarece zaharurile sunt obținute în principal prin fotosinteză.

reacţii

Acetatul din descompunerea acizilor grași funcționează ca un combustibil bogat în energie și ca sursă de fosfenolpiruvat pentru sinteza glucozei prin gluconeogeneză. Procesul este următorul:

Etapele ciclului glicoxilat

1- Calea glicoxilatului, similară cu cea a ciclului Krebs, începe cu condensarea unei molecule acetil-CoA cu o alta de oxaloacetat pentru a produce citrat, o reacție catalizată de citratul enzimelor sintasa.

2- Enzima Aconitază transformă acest citrat în izocitrat.

3- Izocitratul este folosit ca substrat pentru enzima izocitrat liza pentru a forma compușii succinat și glioxilat.

Structura moleculară a enzimei Isocitrate Liasa (Sursa: Vrabiochemhw prin Wikimedia Commons)

4- Glioxilatul este preluat de enzima malat sintază pentru a produce malat prin condensarea sa cu o a doua moleculă de acetil-CoA.

5- Malatul este transformat în oxaloacetat de malat dehidrogenază și acest compus poate servi drept precursor pentru calea gluconeogenă sau poate fi condensat cu un alt acetil-CoA pentru a reporni ciclul încă o dată.

6- Sucinatul produs poate fi, de asemenea, transformat în fumarat și acest lucru în malat, oferind o cantitate mai mare de molecule de oxaloacetat pentru formarea glucozei. Altfel, această moleculă poate fi, de asemenea, exportată în mitocondrii pentru a funcționa în ciclul Krebs.

Oxaloacetatul intră pe calea gluconeogenă pentru producția de glucoză datorită conversiei sale în fosfenolpiruvat, care este catalizat de enzima fosfenolpiruvat carboxinazică.

Regulament

Deoarece ciclurile de glicoxilat și acid tricarboxilic au numeroase substanțe intermediare între ele, există o reglementare coordonată între cele două.

În plus, este necesar să existe mecanisme de control, deoarece sinteza glucozei și a altor hexoze din acetil-CoA (din degradarea grăsimilor) implică participarea a cel puțin patru căi:

- Oxidarea β a acizilor grași care produce molecule acetil-CoA necesare atât ciclului glicoxilat cât și ciclului Krebs și care, la plante, are loc în glicozomi.

- Ciclul glicoxilatului, care apare și în glicozizi și care, după cum s-a menționat, produce intermediari precum succinat, malat și oxaloacetat.

- Ciclul Krebs, care are loc în mitocondrii și în care intermediații sunt succinat, malat și oxaloacetat.

- Gluconeogeneza, care apare în citosol și implică utilizarea oxaloacetatului convertit în fosfenolpiruvat pentru a sintetiza glucoza.

Punctul principal de control este în enzima izocitrat dehidrogenază, a cărei reglare implică o modificare covalentă prin adăugarea sau eliminarea unei grupe fosfat.

Când enzima este fosforilată, aceasta este inactivată, astfel încât izocitratul este direcționat către calea glicoxilatului pentru producerea de glucoză.

Caracteristici

Pentru plante, ciclul glicoxilatului este esențial, mai ales în timpul procesului de germinare, deoarece degradarea grăsimilor stocate în semințe este utilizată pentru sinteza glucozei în țesuturile subdesenvoltate fotosintetic.

Glucoza este folosită ca sursă pentru obținerea de energie sub formă de ATP sau pentru formarea de carbohidrați mai complexi cu funcții structurale, dar unii dintre intermediarii generați în timpul căii glioxilat pot servi de asemenea la sinteza altor componente celulare.

În microorganisme

Principala funcție a ciclului glicoxilat în microorganisme este de a oferi o cale metabolică „alternativă”, astfel încât microorganismele să poată profita de alte surse de carbon și energie pentru creșterea lor.

Acesta este cazul bacteriei Escherichia coli, în care, atunci când nivelurile unor intermediari ai glicolizei și ale ciclului acidului citric scad (izocitrat, 3-fosfoglicrat, piruvat, fosfenolpiruvat și oxaloacetat), enzima izocitrat dehidrogenază (care participă la ciclul Krebs) este inhibat și izocitratul este îndreptat către calea glicoxilatului.

Dacă această cale este activă atunci când bacteriile cresc într-un mediu bogat în acetat, de exemplu, acest metabolit poate fi utilizat pentru a sintetiza acizii carboxilici cu patru atomi de carbon care, mai târziu, pot duce la formarea de carbohidrați de energie .

Pentru alte organisme, cum ar fi ciupercile, de exemplu, s-a dovedit că patogenitatea este foarte dependentă de prezența unui ciclu activ al glicoxilatului, aparent din motive metabolice.

Referințe

1. Dey, P., & Harborne, J. (1977). Biochimia plantelor. San Diego, California: Academic Press.
2. Ensign, SA (2006). Revizuirea ciclului glicoxilat: căi alternative pentru asimilarea acetatului microbian. Microbiologie moleculară, 61 (2), 274–276.
3. Garrett, R., & Grisham, C. (2010). Biochimie (ediția a 4-a). Boston, SUA: Brooks / Cole. CENGAGE Învățare.
4. Lorenz, MC, & Fink, GR (2001). Ciclul glicoxilat este necesar pentru virulența fungică. Nature, 412, 83-86.
5. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biochimie (ediția a III-a). San Francisco, California: Pearson.
6. Rawn, JD (1998). Biochimie. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
7. Vallarino, JG, & Osorio, S. (2019). Acizii organici. În fiziologia post-recoltare și biochimia fructelor și legumelor (pp. 207-224). Elsevier Inc.