GLYOXYLAATCYCLUS: KENMERKEN, REACTIES, REGULATIE, FUNCTIES - BIOLOGIE - 2026

De glyoxylaatcyclus is een metabolische route die aanwezig is in planten, in sommige micro-organismen en in ongewervelde dieren (afwezig bij alle gewervelde dieren), waardoor deze organismen vetten kunnen omzetten in koolhydraten (suikers).

Deze route werd ontdekt in 1957, terwijl Kornberg, Krebs en Beevers probeerden te verklaren hoe bacteriën zoals Escherichia coli konden groeien in aanwezigheid van acetaat als enige koolstofbron, en hoe kiemende zaailingen van wolfsmelk (Ricinus communis) vetten konden omzetten in koolhydraten.

Schematische voorstelling van de glyoxylaatcyclus (Bron: Agrotman via Wikimedia Commons)

De studies van deze drie onderzoekers leidden tot de ontdekking van twee enzymen die bekend staan ​​als isocitraatlyase en malaatsynthase, die samen met de enzymen van de Krebs-cyclus de synthese van succinaat uit twee acetyl-coA-moleculen mogelijk maken.

Het aldus geproduceerde succinaat wordt omgezet in malaat door de tricarbonzuurcyclus en kan later worden gebruikt voor de productie van glucose door gluconeogenese.

Deze route komt in planten voor in speciale organellen, glyoxysomen genaamd, en is essentieel voor het overleven van zaailingen tijdens de vroege stadia van ontkieming.

kenmerken

De glyoxylaatroute kan worden gezien als een "modificatie" van de Krebs-cyclus, met het verschil dat oxidatieve decarboxylering niet optreedt in de eerste, maar vier koolstofdicarbonzuren kunnen worden gevormd uit acetaateenheden van twee koolstofatomen.

Dit kenmerk van de glyoxylaatcyclus is beschreven als een manier waarop sommige organismen het verlies van koolstofatomen in de vorm van kooldioxide, dat de Krebs-cyclus identificeert, moeten vermijden ("omzeilen").

In planten vindt de glyoxylaatcyclus plaats binnen cytosolische organellen omgeven door een eenvoudig membraan dat bekend staat als glyoxysomen. Bij andere organismen zoals gisten en algen daarentegen komt deze route voor in het cytosol.

Glyoxysomen zijn structureel vergelijkbaar met peroxisomen (sommige auteurs beschouwen ze als "gespecialiseerde peroxisomen"), andere organellen die verantwoordelijk zijn voor een deel van de β-oxidatie van vetzuren en de eliminatie van reactieve zuurstofsoorten in eukaryote organismen.

Binnenin worden de vetzuren geoxideerd om acetyl-CoA te produceren, dat vervolgens wordt gecondenseerd tot verbindingen met vier koolstofatomen. Deze verbindingen worden selectief naar de mitochondriën getransporteerd, waar ze worden omgezet in malaat of naar het cytosol worden getransporteerd om de gluconeogene route binnen te gaan (glucosesynthese).

De enzymen die worden gedeeld tussen de glyoxylaatroute en de tricarbonzuurcyclus bestaan ​​in de mitochondriën en het glyoxysoom als iso-enzymen, wat betekent dat beide routes min of meer onafhankelijk van elkaar werken.

Voorkomen van glyoxysomen

Glyoxysomen zijn niet permanent aanwezig in plantenweefsels. Ze komen vooral voor tijdens het ontkiemen van oliehoudende zaden, die weinig fotosynthetisch vermogen hebben om de koolhydraten te produceren die ze nodig hebben om te groeien.

In volledig ontwikkelde planten is hun deelname aan het metabolisme van vetten niet zo essentieel, aangezien suikers voornamelijk worden verkregen door fotosynthese.

Reacties

Acetaat uit de afbraak van vetzuren fungeert als een energierijke brandstof en als een bron van fosfoenolpyruvaat voor de synthese van glucose via gluconeogenese. Het proces is als volgt:

Stappen van de glyoxylaatcyclus

1- De glyoxylaatroute, vergelijkbaar met die van de Krebs-cyclus, begint met de condensatie van een acetyl-CoA-molecuul met een andere van oxaalacetaat om citraat te verkrijgen, een reactie die wordt gekatalyseerd door het enzym citraatsynthase.

2- Het Aconitase-enzym zet dit citraat om in isocitraat.

3- Isocitraat wordt gebruikt als een substraat voor het enzym isocitraatlyase om de verbindingen succinaat en glyoxylaat te vormen.

Moleculaire structuur van het enzym Isocitrate Liasa (Bron: Vrabiochemhw via Wikimedia Commons)

4 - Glyoxylaat wordt opgenomen door het enzym malaatsynthase om malaat te produceren door zijn condensatie met een tweede molecuul acetyl-CoA.

5- Malaat wordt door malaatdehydrogenase omgezet in oxaalacetaat en deze verbinding kan dienen als precursor voor de gluconeogene pathway of gecondenseerd worden met een ander acetyl-CoA om de cyclus opnieuw te starten.

6- Het geproduceerde succinaat kan ook worden omgezet in fumaraat en dit in malaat, waardoor een grotere hoeveelheid oxaalacetaatmoleculen wordt verkregen voor de vorming van glucose. Anders kan dit molecuul ook worden geëxporteerd naar de mitochondriën om te functioneren in de Krebs-cyclus.

Oxaalacetaat komt de gluconeogene route binnen voor glucoseproductie dankzij de omzetting in fosfoenolpyruvaat, dat wordt gekatalyseerd door het enzym fosfoenolpyruvaatcarboxykinase.

Regulatie

Omdat de glyoxylaat- en tricarbonzuurcycli talrijke tussenproducten met elkaar delen, is er een gecoördineerde regulering tussen de twee.

Bovendien is het noodzakelijk dat er controlemechanismen bestaan, aangezien de synthese van glucose en andere hexosen uit acetyl-CoA (door de afbraak van vetten) de deelname aan ten minste vier routes impliceert:

- De β-oxidatie van vetzuren die de acetyl-CoA-moleculen produceert die nodig zijn voor zowel de glyoxylaatcyclus als de Krebs-cyclus en die in planten plaatsvindt in glyoxysomen.

- De glyoxylaatcyclus, die ook voorkomt in glyoxysomen en die, zoals gezegd, tussenproducten produceert zoals succinaat, malaat en oxaalacetaat.

- De Krebs-cyclus, die plaatsvindt in de mitochondriën en waarin ook de tussenproducten succinaat, malaat en oxaalacetaat worden geproduceerd.

- Gluconeogenese, die plaatsvindt in het cytosol en waarbij oxaalacetaat wordt gebruikt dat wordt omgezet in fosfoenolpyruvaat om glucose te synthetiseren.

Het belangrijkste controlepunt bevindt zich in het enzym isocitraat dehydrogenase, waarvan de regulatie een covalente modificatie inhoudt door een fosfaatgroep toe te voegen of te verwijderen.

Wanneer het enzym wordt gefosforyleerd, wordt het geïnactiveerd, dus wordt het isocitraat naar de glyoxylaatroute geleid voor de productie van glucose.

Kenmerken

Voor planten is de glyoxylaatcyclus essentieel, vooral tijdens het kiemingsproces, omdat de afbraak van de vetten die in de zaden zijn opgeslagen, wordt gebruikt voor de synthese van glucose in fotosynthetisch onderontwikkelde weefsels.

Glucose wordt gebruikt als een bron voor het verkrijgen van energie in de vorm van ATP of voor de vorming van meer complexe koolhydraten met structurele functies, maar sommige van de tussenproducten die tijdens de glyoxylaatroute worden gegenereerd, kunnen ook dienen voor de synthese van andere cellulaire componenten.

In micro-organismen

De belangrijkste functie van de glyoxylaatcyclus in micro-organismen is het verschaffen van een "alternatieve" metabolische route, zodat micro-organismen in staat zijn om te profiteren van andere bronnen van koolstof en energie voor hun groei.

Dat is het geval met de bacterie Escherichia coli, waarin, wanneer de niveaus van sommige tussenproducten van glycolyse en de citroenzuurcyclus afnemen (isocitraat, 3-fosfoglyceraat, pyruvaat, fosfoenolpyruvaat en oxaalacetaat), het enzym isocitraat dehydrogenase (dat neemt deel aan de Krebs-cyclus) wordt geremd en isocitraat wordt naar de glyoxylaatroute geleid.

Als deze route actief is wanneer de bacteriën bijvoorbeeld groeien in een medium dat rijk is aan acetaat, kan deze metaboliet worden gebruikt om carbonzuren met vier koolstofatomen te synthetiseren die later kunnen leiden tot de vorming van energetische koolhydraten. .

Voor andere organismen, zoals schimmels, is bijvoorbeeld aangetoond dat pathogeniteit sterk afhankelijk is van de aanwezigheid van een actieve glyoxylaatcyclus, klaarblijkelijk om metabolische redenen.

Referenties

1. Dey, P., & Harborne, J. (1977). Plantenbiochemie. San Diego, Californië: Academic Press.
2. Ensign, SA (2006). Herziening van de glyoxylaatcyclus: alternatieve routes voor assimilatie van microbiële acetaat. Molecular Microbiology, 61 (2), 274–276.
3. Garrett, R., en Grisham, C. (2010). Biochemie (4e ed.). Boston, VS: Brooks / Cole. CENGAGE Leren.
4. Lorenz, MC en Fink, GR (2001). De glyoxylaatcyclus is vereist voor virulentie van schimmels. Nature, 412, 83-86.
5. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biochemie (3e ed.). San Francisco, Californië: Pearson.
6. Rawn, JD (1998). Biochemie. Burlington, Massachusetts: uitgevers Neil Patterson.
7. Vallarino, JG en Osorio, S. (2019). Organische zuren. In Postharvest Physiology and Biochemistry of Fruits and Vegetables (pp. 207–224). Elsevier Inc.