GLYKOKSYLATSYKLUS: EGENSKAPER, REAKSJONER, REGULERING, FUNKSJONER - BIOLOGI - 2026

Den glyoksylat syklusen er en metabolsk vei til stede i planter, i enkelte mikroorganismer, og i virvelløse dyr (fraværende i alle vertebrater), gjennom hvilke disse organismene kan omdanne fett til karbohydrater (sukker).

Denne ruten ble oppdaget i 1957, mens Kornberg, Krebs og Beevers prøvde å belyse hvordan bakterier som Escherichia coli kunne vokse i nærvær av acetat som eneste karbonkilde, og hvordan spirende frøplanter av spurge (Ricinus communis) kunne omdanne fett til karbohydrater.

Skjematisk av glyoksylatsyklusen (Kilde: Agrotman via Wikimedia Commons)

Studier av disse tre forskerne førte til oppdagelsen av to enzymer kjent som isocitratlyase og malatsyntase, som sammen med enzymene i Krebs-syklusen tillater syntese av succinat fra to acetyl-coA-molekyler.

Det således produserte succinatet blir omdannet til malat gjennom trikarboksylsyresyklusen, og kan senere brukes til fremstilling av glukose gjennom glukoneogenese.

Denne traseen forekommer, i planter, i spesielle organeller kalt glyoksysomer og er avgjørende for å overleve frøplanter i de tidlige stadiene av spiring.

kjennetegn

Glykoksylatveien kan sees på som en "modifisering" av Krebs-syklusen, med den forskjellen at oksidativ dekarboksylering ikke forekommer i førstnevnte, men fire karbondikarboksylsyrer kan dannes fra acetat-enheter på to karboner.

Dette kjennetegn ved glyoksylatsyklusen er blitt beskrevet som en måte som noen organismer må unngå ("omgå") tap av karbonatomer i form av karbondioksid som identifiserer Krebs-syklusen.

Hos planter forekommer glyoksylatsyklusen i cytosoliske organeller omgitt av en enkel membran kjent som glyoksysomer. I andre organismer som gjær og alger, derimot, forekommer denne ruten i cytosol.

Glyoksysomer er strukturelt lik peroksisomer (noen forfattere anser dem som "spesialiserte peroksisomer"), andre organeller som er ansvarlige for en del av ß-oksidasjonen av fettsyrer og eliminering av reaktive oksygenarter i eukaryote organismer.

Innvendig oksideres fettsyrene for å produsere acetyl-CoA, som deretter kondenseres til forbindelser med fire karbonatomer. Disse forbindelsene blir selektivt transportert til mitokondriene, hvor de omdannes til malat eller transporteres til cytosol for å komme inn i glukoneogen banen (glukosesyntese).

Enzymene som deles mellom glyoksylatveien og trikarboksylsyresyklusen eksisterer i mitokondriene og glyoksysomet som isoenzymer, noe som betyr at begge veiene fungerer mer eller mindre uavhengig av hverandre.

Forekomst av glyoksysomer

Glyoksysomer er ikke permanent til stede i plantevev. De er spesielt rikelig under spiring av oljefrø, som har liten fotosyntetisk kapasitet til å produsere karbohydratene de trenger for å vokse.

I fullt utviklede planter er deres deltakelse i metabolismen av fett ikke så viktig, siden sukker hovedsakelig oppnås ved fotosyntese.

reaksjoner

Acetat fra nedbrytning av fettsyrer fungerer som et energirikt brensel og som en kilde til fosfoenolpyruvat for syntese av glukose gjennom glukoneogenese. Prosessen er som følger:

Trinn for glyoksylatsyklusen

1- Glyoksylatveien, lignende den i Krebs-syklusen, begynner med kondensasjon av et acetyl-CoA-molekyl med et annet oksaloacetat for å gi citrat, en reaksjon katalysert av enzymet citrat-syntase.

2- Aconitase-enzymet omdanner dette sitratet til isocitrat.

3- Isocitrat brukes som et substrat for enzymet isocitrat lyase for å danne forbindelsene succinat og glyoxylate.

Molekylstruktur av enzymet Isocitrate Liasa (Kilde: Vrabiochemhw via Wikimedia Commons)

4- Glyoksylat tas opp av enzymet malatsyntase for å produsere malat gjennom kondensasjon med et andre molekyl acetyl-CoA.

5- Malat omdannes til oksaloacetat av malatdehydrogenase, og denne forbindelsen kan tjene som en forløper for den glukoneogene banen eller kondenseres med en annen acetyl-CoA for å starte syklusen igjen.

6- Det produserte suksinatet kan også omdannes til fumarat og dette til malat, noe som gir en større mengde oksaloacetatmolekyler for dannelse av glukose. Ellers kan dette molekylet også eksporteres til mitokondriene for å fungere i Krebs-syklusen.

Oksaloacetat går inn i glukoneogen vei for glukoseproduksjon takket være omdannelsen til fosfoenolpyruvat, som katalyseres av enzymet fosfoenolpyruvat karboksykinase.

Regulering

Siden glyoksylat- og trikarboksylsyresyklusene deler mange mellomprodukter med hverandre, er det en koordinert regulering mellom de to.

I tillegg er det nødvendig at det foreligger kontrollmekanismer, siden syntesen av glukose og andre heksoser fra acetyl-CoA (fra nedbrytning av fett) innebærer deltakelse av minst fire ruter:

- ß-oksidasjonen av fettsyrer som produserer acetyl-CoA-molekylene som er nødvendige for både glyoksylatsyklusen og Krebs-syklusen, og som i planter foregår i glyoksysomer.

- Glykoksylatsyklusen, som også forekommer i glyoksysomer, og som som nevnt produserer mellomprodukter som suksinat, malat og oksaloacetat.

- Krebs-syklusen, som finner sted i mitokondriene og hvor mellomproduktene succinater, malate og oxaloacetate også produseres.

- Glukoneogenese, som forekommer i cytosol og innebærer bruk av oksaloacetat omdannet til fosfoenolpyruvat for å syntetisere glukose.

Hovedkontrollpunktet er i enzymet isocitrat dehydrogenase, hvis regulering innebærer en kovalent modifisering ved å tilsette eller fjerne en fosfatgruppe.

Når enzymet fosforyleres blir det inaktivert, så isocitratet blir rettet mot glyoksylatveien for produksjon av glukose.

Egenskaper

For planter er glyoksylatsyklusen essensiell, spesielt under spiringsprosessen, siden nedbrytningen av fettet som er lagret i frøene brukes til syntese av glukose i fotosyntetisk underutviklede vev.

Glukose brukes som en kilde for å oppnå energi i form av ATP eller for dannelse av mer komplekse karbohydrater med strukturelle funksjoner, men noen av mellomproduktene som genereres under glyoksylatveien, kan også tjene syntesen av andre cellulære komponenter.

I mikroorganismer

Hovedfunksjonen til glyoksylatsyklusen i mikroorganismer er å tilveiebringe en "alternativ" metabolsk bane, slik at mikroorganismer kan utnytte andre kilder til karbon og energi for deres vekst.

Slik er tilfellet med bakterien Escherichia coli, der når nivåene av noen mellomprodukter i glykolyse og sitronsyresyklusen synker (isocitrat, 3-fosfoglycerat, pyruvat, fosfoenolpyruvat og oksaloacetat), enzymet isocitrat dehydrogenase (som deltar i Krebs-syklusen) hemmes og isocitrat ledes mot glyoksylatveien.

Hvis denne veien er aktiv når bakteriene vokser i et medium som er rik på acetat, kan denne metabolitten brukes til å syntetisere karboksylsyrer med fire karbonatomer som senere kan føre til dannelse av energiske karbohydrater .

For andre organismer som sopp, for eksempel, har patogenisitet vist seg å være sterkt avhengig av tilstedeværelsen av en aktiv glyoksylatsyklus, tilsynelatende av metabolske årsaker.

referanser

1. Dey, P., & Harborne, J. (1977). Plantebiokjemi. San Diego, California: Academic Press.
2. Ensign, SA (2006). Revisjon av glyoksylatsyklusen: alternative veier for mikrobiell acetatassimilering. Molecular Microbiology, 61 (2), 274–276.
3. Garrett, R., & Grisham, C. (2010). Biokjemi (4. utg.). Boston, USA: Brooks / Cole. CENGAGE Læring.
4. Lorenz, MC, & Fink, GR (2001). Glykoksylatsyklusen er nødvendig for soppvirulens. Nature, 412, 83-86.
5. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biokjemi (3. utg.). San Francisco, California: Pearson.
6. Rawn, JD (1998). Biokjemi. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publisher.
7. Vallarino, JG, & Osorio, S. (2019). Organiske syrer. I Etterhøstsfysiologi og biokjemi av frukt og grønnsaker (s. 207–224). Elsevier Inc.