GLYOXYLATZYKLUS: EIGENSCHAFTEN, REAKTIONEN, REGULATION, FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Der Glyoxylatzyklus ist ein Stoffwechselweg, der in Pflanzen, in einigen Mikroorganismen und in wirbellosen Tieren (bei allen Wirbeltieren nicht vorhanden) vorhanden ist und über den diese Organismen Fette in Kohlenhydrate (Zucker) umwandeln können.

Diese Route wurde 1957 entdeckt, als Kornberg, Krebs und Beevers versuchten herauszufinden, wie Bakterien wie Escherichia coli in Gegenwart von Acetat als einziger Kohlenstoffquelle wachsen und wie keimende Wolfsmilchsämlinge (Ricinus communis) Fette in Fettsäuren umwandeln können Kohlenhydrate.

Schema des Glyoxylatzyklus (Quelle: Agrotman über Wikimedia Commons)

Studien dieser drei Forscher führten zur Entdeckung von zwei Enzymen, die als Isocitratlyase und Malatsynthase bekannt sind und zusammen mit den Enzymen des Krebszyklus die Synthese von Succinat aus zwei Acetyl-coA-Molekülen ermöglichen.

Das so hergestellte Succinat wird durch den Tricarbonsäurezyklus in Malat umgewandelt und kann später zur Herstellung von Glucose durch Gluconeogenese verwendet werden.

Dieser Weg findet in Pflanzen in speziellen Organellen statt, die als Glyoxysomen bezeichnet werden, und ist für das Überleben der Sämlinge in den frühen Stadien der Keimung wesentlich.

Eigenschaften

Der Glyoxylatweg kann als "Modifikation" des Krebszyklus angesehen werden, mit dem Unterschied, dass im ersteren keine oxidative Decarboxylierung auftritt, aber vier Kohlenstoffdicarbonsäuren aus Acetateinheiten von zwei gebildet werden können Kohlenstoffe.

Diese Eigenschaft des Glyoxylatzyklus wurde als ein Weg beschrieben, wie einige Organismen den Verlust von Kohlenstoffatomen in Form von Kohlendioxid, das den Krebszyklus identifiziert, vermeiden ("umgehen") müssen.

In Pflanzen findet der Glyoxylatzyklus in zytosolischen Organellen statt, die von einer einfachen Membran umgeben sind, die als Glyoxysomen bekannt ist. Bei anderen Organismen wie Hefen und Algen tritt dieser Weg dagegen im Cytosol auf.

Glyoxysomen sind strukturell ähnlich zu Peroxisomen (einige Autoren betrachten sie als "spezialisierte Peroxisomen"), anderen Organellen, die für einen Teil der β-Oxidation von Fettsäuren und die Eliminierung reaktiver Sauerstoffspezies in eukaryotischen Organismen verantwortlich sind.

Im Inneren werden die Fettsäuren zu Acetyl-CoA oxidiert, das anschließend zu Verbindungen mit vier Kohlenstoffatomen kondensiert. Diese Verbindungen werden selektiv in die Mitochondrien transportiert, wo sie in Malat umgewandelt oder zum Cytosol transportiert werden, um in den glukoneogenen Weg einzutreten (Glukosesynthese).

Die zwischen dem Glyoxylatweg und dem Tricarbonsäurezyklus gemeinsamen Enzyme liegen in den Mitochondrien und im Glyoxysom als Isoenzyme vor, was bedeutet, dass beide Wege mehr oder weniger unabhängig voneinander arbeiten.

Vorkommen von Glyoxysomen

Glyoxysomen sind im Pflanzengewebe nicht permanent vorhanden. Sie kommen besonders häufig während der Keimung von Ölsaaten vor, die nur eine geringe Photosynthesekapazität haben, um die Kohlenhydrate zu produzieren, die sie zum Wachstum benötigen.

In voll entwickelten Pflanzen ist ihre Beteiligung am Fettstoffwechsel nicht so wichtig, da Zucker hauptsächlich durch Photosynthese gewonnen werden.

Reaktionen

Acetat aus dem Abbau von Fettsäuren fungiert als energiereicher Brennstoff und als Phosphoenolpyruvatquelle für die Synthese von Glucose durch Gluconeogenese. Der Prozess ist wie folgt:

Schritte des Glyoxylatzyklus

1- Der Glyoxylatweg, ähnlich dem des Krebszyklus, beginnt mit der Kondensation eines Acetyl-CoA-Moleküls mit einem anderen Oxalacetat zu Citrat, einer Reaktion, die durch das Enzym Citrat-Synthase katalysiert wird.

2- Das Aconitase-Enzym wandelt dieses Citrat in Isocitrat um.

3- Isocitrat wird als Substrat für das Enzym Isocitratlyase verwendet, um die Verbindungen Succinat und Glyoxylat zu bilden.

Molekülstruktur des Enzyms Isocitrat Liasa (Quelle: Vrabiochemhw via Wikimedia Commons)

4- Das Glyoxylat wird vom Enzym Malatsynthase aufgenommen, um durch seine Kondensation mit einem zweiten Molekül Acetyl-CoA Malat zu produzieren.

5- Malat wird durch Malatdehydrogenase in Oxalacetat umgewandelt und diese Verbindung kann als Vorstufe für den glukoneogenen Weg dienen oder mit einem anderen Acetyl-CoA kondensiert werden, um den Zyklus erneut zu starten.

6- Das erzeugte Succinat kann auch in Fumarat und dieses in Malat umgewandelt werden, wodurch eine größere Menge an Oxalacetatmolekülen für die Bildung von Glucose bereitgestellt wird. Andernfalls kann dieses Molekül auch in die Mitochondrien exportiert werden, um im Krebszyklus zu funktionieren.

Oxalacetat gelangt dank seiner Umwandlung in Phosphoenolpyruvat, das durch das Enzym Phosphoenolpyruvatcarboxykinase katalysiert wird, in den glukoneogenen Weg zur Glukoseproduktion.

Verordnung

Da die Glyoxylat- und Tricarbonsäurezyklen zahlreiche Zwischenprodukte miteinander teilen, besteht eine koordinierte Regulierung zwischen beiden.

Darüber hinaus müssen Kontrollmechanismen vorhanden sein, da die Synthese von Glucose und anderen Hexosen aus Acetyl-CoA (aus dem Abbau von Fetten) die Teilnahme von mindestens vier Wegen impliziert:

- Die β-Oxidation von Fettsäuren, die die Acetyl-CoA-Moleküle produziert, die sowohl für den Glyoxylatzyklus als auch für den Krebszyklus erforderlich sind, und die in Pflanzen in Glyoxysomen stattfindet.

- Der Glyoxylatzyklus, der auch in Glyoxysomen auftritt und wie erwähnt Zwischenprodukte wie Succinat, Malat und Oxalacetat produziert.

- Der Krebszyklus, der in den Mitochondrien stattfindet und in dem auch die Zwischenprodukte Succinat, Malat und Oxalacetat produziert werden.

- Glukoneogenese, die im Cytosol auftritt und die Verwendung von Oxaloacetat beinhaltet, das in Phosphoenolpyruvat umgewandelt wird, um Glucose zu synthetisieren.

Der Hauptkontrollpunkt liegt im Enzym Isocitratdehydrogenase, dessen Regulation eine kovalente Modifikation durch Hinzufügen oder Entfernen einer Phosphatgruppe beinhaltet.

Wenn das Enzym phosphoryliert ist, wird es inaktiviert, so dass das Isocitrat auf den Glyoxylatweg zur Herstellung von Glucose gerichtet ist.

Eigenschaften

Für Pflanzen ist der Glyoxylatzyklus insbesondere während des Keimungsprozesses wesentlich, da der Abbau der in den Samen gespeicherten Fette zur Synthese von Glucose in photosynthetisch unterentwickelten Geweben verwendet wird.

Glucose wird als Quelle zur Gewinnung von Energie in Form von ATP oder zur Bildung komplexerer Kohlenhydrate mit Strukturfunktionen verwendet. Einige der während des Glyoxylatweges erzeugten Zwischenprodukte können jedoch auch zur Synthese anderer zellulärer Komponenten dienen.

In Mikroorganismen

Die Hauptfunktion des Glyoxylatzyklus in Mikroorganismen besteht darin, einen "alternativen" Stoffwechselweg bereitzustellen, damit Mikroorganismen andere Kohlenstoff- und Energiequellen für ihr Wachstum nutzen können.

Dies ist der Fall beim Bakterium Escherichia coli, bei dem, wenn die Spiegel einiger Zwischenprodukte der Glykolyse und des Zitronensäurezyklus abnehmen (Isocitrat, 3-Phosphoglycerat, Pyruvat, Phosphoenolpyruvat und Oxalacetat), das Enzym Isocitratdehydrogenase (welches) nimmt am Krebszyklus teil) wird gehemmt und Isocitrat wird auf den Glyoxylatweg gerichtet.

Wenn dieser Weg aktiv ist, wenn die Bakterien beispielsweise in einem acetatreichen Medium wachsen, kann dieser Metabolit zur Synthese von Carbonsäuren mit vier Kohlenstoffatomen verwendet werden, die später zur Bildung energetischer Kohlenhydrate führen können. .

Für andere Organismen wie zum Beispiel Pilze wurde gezeigt, dass die Pathogenität stark vom Vorhandensein eines aktiven Glyoxylatzyklus abhängt, offensichtlich aus metabolischen Gründen.

Verweise

1. Dey, P. & Harborne, J. (1977). Pflanzenbiochemie. San Diego, Kalifornien: Akademische Presse.
2. Ensign, SA (2006). Wiederholung des Glyoxylatzyklus: alternative Wege zur mikrobiellen Acetatassimilation. Molecular Microbiology, 61 (2), 274–276.
3. Garrett, R. & Grisham, C. (2010). Biochemistry (4. Aufl.). Boston, USA: Brooks / Cole. CENGAGE Lernen.
4. Lorenz, MC & Fink, GR (2001). Der Glyoxylatzyklus ist für die Pilzvirulenz erforderlich. Nature, 412, 83 & ndash; 86.
5. C. Mathews, K. van Holde & K. Ahern (2000). Biochemistry (3. Aufl.). San Francisco, Kalifornien: Pearson.
6. Rawn, JD (1998). Biochemie. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
7. Vallarino, JG & Osorio, S. (2019). Organische Säuren. In Nacherntephysiologie und Biochemie von Obst und Gemüse (S. 207–224). Elsevier Inc.