Glyoxylátový cyklus

Glyoxylátový cyklus, variant cyklu trikarboxylových kyselín, je anabolická dráha, ktorá sa vyskytuje u rastlín, baktérií, protistov a húb. Glyoxylátový cyklus je založený na premene acetylkoenzýmu A na sukcinát pre syntézu sacharidov. U mikroorganizmov umožňuje glyoxylátový cyklus bunkám využiť dvojuhlíkaté (C2) zlúčeniny, ako je acetát, aby splnili svoje nároky na uhlík, keď nie sú dostupné jednoduché cukry ako glukóza alebo fruktóza. Tento cyklus je všeobecne pokladaný za neprítomný u živočíchov, s výnimkou hlístovcov v raných štádiach embryogenézy. V posledných rokoch však boli objavené enzýmy malátsyntáza (MS) a izocitrátlyáza (ICL), kľúčové enzýmy glyoxylátového cyklu, v tkanive niektorých živočíchov, čo vedie k otázkam ohľadne evolučného vzťahu enzýmov v baktériách a živočíchoch a naznačuje, že živočíchy majú v genetickom kóde alternatívne enzýmy tohto cyklu, ktoré sa líšia svojou funkciou od známych MS a ICL u neživočíšnych druhov.

Rastliny a niektoré riasy a baktérie vedia využiť acetát ako zdroj uhlíka pre tvorbu uhlíkových zlúčenín. Rastliny a baktérie môžu využiť túto modifikáciu citrátového cyklu na tvorbu štvoruhlíkatej dikarboxylovej kyseliny z dvojuhlíkatých acetátových jednotiek. Glyoxylátový cyklus obchádza obe oxidatívne dekarboxylácie citrátového cyklu a priamo premieňa izocitrát pomocou izocitrátlyázy a malátsyntázy na malát a sukcinát.

Podobnosť s citrátovým cyklom 
Glyoxylátový cyklus využíva päť z ôsmych enzýmov spoločných s citrátovým cyklom: citrátsyntázu, akonitázu, sukcinátdehydrogenázu, fumarázu a malátdehydrogenázu. Tieto dva cykly sa líšia v tom, že počas glyoxylátového cyklu sa izocitrát premieňa na sukcinát a glyoxylát vďaka izocitrátlyáze (ICL) namiesto jeho premeny na α-ketoglutarát. Týmto sa obídu oba dekarboxylačné kroky, ktoré prebiehajú u citrátového cyklu, čo umožňuje využitie jednoduchých uhlíkových zlúčenín na neskoršiu syntézu makromolekúl vrátane glukózy. Glyoxylát je potom skombinovaný s acetylkoenzýmom A, čím vzniká malát. Túto reakciu katalyzuje malátsyntáza. Malát sa zároveň tvorí i zo sukcinátu vďaka sukcinátdehydrogenáze a fumaráze.

Úloha v glukoneogenéze 
Mastné kyseliny z lipidov sú bežne využívané stavovcami ako zdroj energie. Mastné kyseliny sú rozkladané v beta-oxidácii na acetátové molekuly. Tento acetát, viazaný na tiolovú skupinu koenzýmu A, vstupuje do citrátového cyklu, kde sa kompletne oxiduje na oxid uhličitý. Táto dráha teda umožňuje bunkám získať z tuku energiu. Aby mohol byť acetát z tuku využitý pre biosyntézu sacharidov, je nutné využiť glyoxylátový cyklus, ktorého prvé reakcie sú zhodné s citrátovým cyklom.

Organizmy, ktoré majú bunkovú stenu, ako sú rastliny, huby a baktérie, potrebujú veľké množstvo sacharidov počas svojho rastu, aby mohli vytvoriť komplexné štruktúrne polysacharidy, ako sú celulóza, glukány a chitín. U týchto organizmov umožňuje glyoxylátový cyklus syntézu glukózy z lipidov vďaka acetátu vytvorenému z mastných kyselín v beta oxidácii aj v prípade, že nie sú dostupné sacharidy (napríklad v niektorých mikrobiálnych prostrediach alebo počas klíčenia semien).

Glyoxylátový cyklus obchádza kroky Krebsovho cyklu, v ktorých sa uhlík stráca v podobe CO2. Počiatočné dva kroky glyoxylátového cyklu sú zhodné s krokmi Krebsovho cyklu: acetát → citrát → isocitrát. V ďalšom kroku, ktorý katalyzuje prvý enzým glyoxylátového cyklu, izocitrátlyáza, sa izocitrát štiepi na sukcinát a glyoxylát (podľa ktorého je cyklus pomenovaný). Sukcinát môže vstúpit do Krebsovho cyklu a postupne sa premeniť na oxaloacetát. Glyoxylát kondenzuje s acetylkoenzýmom A, čím vzniká malát (krok katalyzuje malátsyntáza). Malát i oxalacetát môžu byť premenené na fosfoenolpyruvát, ktorý je produktom fosfoenolpyruvátkarboxykinázy, prvého enzýmu glukoneogenézy. Celkový výsledok glyoxylátového cyklu je teda produkcia glukózy z mastných kyselín.

Funkcia v organizmoch

Rastliny 
U rastlín prebieha glyoxylátový cyklus v špeciálnych peroxizómoch, ktoré sa nazývajú glyoxyzómy. Tento cyklus umožňuje semenám využiť lipidy ako zdroj energie na tvorbu výhonku počas klíčenia. Semeno nemôže produkovať biomasu pomocou fotosyntézy, pretože nemá orgány s touto funkciou. Lipidy uložené v klíčiacich semenách sú využité na tvorbu sacharidov, ktoré poháňajú rast a vývoj organizmu.

Glyoxylátový cyklus poskytuje rastlinám aj ďalší aspekt metabolickej diverzity. Tento cyklus umožňuje rastlinám prijať acetát ako zdroj uhlíku aj ako zdroj energie. Acetát sa konvertuje na acetylkoenzým A (podobne ako v TCA cykle). Tento acetylkoenzým A môže vstúpiť do glyoxylátového cyklu a počas cyklu sa uvoľní sukcinát. Štvoruhlikáty sukcinát sa môže premeniť na mnoho sacharidov pomocou iných metabolických procesov - rastliny teda môžu syntetizovať molekuly s použitím acetátu ako zdroja uhlíka. Acetylkoenzým A môže reagovať aj s glyoxylátom a produkovať NADPH a NADP+, ktoré sa využívajú ako pohon syntézy energie v podobe ATP pomocou dýchacieho reťazca.

Patogénne huby 
Glyoxylátový cyklus môže hrať úplne inú úlohu u niektorých patogénnych húb. Po kontakte s ľudským hostiteľom sa výrazne zvýši množstvo hlavných enzýmov glyoxylátového cyklu, ICL a MS. Mutantné kmene konkrétnych druhov húb, ktorým chýbala ICL, boli výrazne menej virulentné v štúdiach s myšami v porovnaní s divokým typom. Presné spojenie týchto dvoch pozorovaní je naďalej skúmané, ale dá sa usudzovať, že glyoxylátový cyklus je významným faktorom v patogenéze týchto mikróbov.

Stavovce 
Kedysi sa predpokladalo, že u stavovcov tento cyklus neprebieha, pretože neboli nájdené žiadne náznaky jeho kľúčových enzýmov, izocitrátlyázy ani malátsyntázy. Niektoré štúdie však naznačujú, že tento cyklus by mohol existovať u niektorých, možno dokonca u všetkých, stavovcov. Konkrétne niektoré štúdie poukazujú na dôkazy existencie komponent glyoxylátového cyklu vo významných množstvách v tkanive pečene v kuratách. Dáta, ako sú tieto, podporujú teóriu, že tento cyklus by mohol teoreticky prebiehať aj u najkomplexnejších stavovcov. Iné experimenty predložili dôkazy toho, že tento cyklus je prítomný u niektorých druhov hmyzu a morských bezstavovcov, a zároveň predložili presvedčivé dôkazy o tom, že je cyklus prítomný u hlístovcov. Iné dôkazy však toto tvrdenie vyvracajú. Niektoré publikácie rozporujú prítomnosť cyklu v cicavcoch: napríklad jeden článok tvrdí, že glyoxylátový cyklus je aktívny u hibernujúcich medveďov, ale táto správa bola neskôr spochybnená v ďalšom článku. Existujú dôkazy o aktivite malátsyntázy u ľudí kvôli dvojitej funkcii malát/B-metylmalátsyntáze mitochondriálneho pôvodu nazývanej CLYBL exprimovanej hnedým tukom a obličkami. Vitamín D by mohol regulovať túto dráhu u stavovcov.

Inhibícia glyoxylátového cyklu 
Kvôli ústrednej úlohe glyoxylátového cyklu v metabolizme patogénnych druhov húb a baktérii sú enzýmy glyoxylátového cyklu aktuálnymi inhibičnými cieľmi pre liečbu chorôb. Väčšina popísaných inhibítorov glyoxylátového cyklu je cielená na prvý enzým cyklu (ICL). Inhibítory boli popísané pre Candida albicans pre potenciálne použitie ako antifungálne látky. Mykobakteriálny glyoxylátový cyklus je takisto cieľom pre potenciálnu liečbu tuberkulózy.

Inžinierske koncepty 
Prospekt prenosu rôznych metabolických dráh do cicavcov, u ktorých nie sú prítomné, je aktuálne pre bioinžinierov veľmi lákavý. Glyoxylátový cyklus je aktuálne jedna z tých dráh, ktoré sa inžinieri pokúsili vpraviť do cicavčích buniek. Inžinieri o to majú záujem hlavne preto, aby zvýšili produkciu vlny u oviec, ktorá je obmedzená prístupom k zásobám glukózy. Vpravením tohto cyklu do oviec by sa mohli využiť veľké zásoby acetátu v bunkách priamo na syntézu glukózy vďaka tomuto cyklu, čo by umožňilo zvýšiť produkciu vlny. Cicavce nie sú schopné túto dráhu využiť, pretože im chýbajú dva enzýmy, izocitrátlyáza a malátsyntáza, ktoré sú nutné na to, aby tento cyklus mohol prebiehať. Niektorí predpokladajú, že gény produkujúce tieto enzýmy sú však u cicavcov pseudogénne, čo znamená, že nemusia úplne chýbať, ale sú skôr "vypnuté".

Aby tento cyklus bolo možné vpraviť do bunky, museli byť izolované a osekvenované gény zodpovedné za kódovanie enzýmov, čoho sa dosiahlo pomocou baktérie E. coli, z ktorej boli osekvenované gény AceA, zodpovedný za kódovanie izocitrátlyázy, a AceB, zodpovedný za kódovanie malátsyntázy. Inžinierom sa podarilo úspešne začleniť gény AceA a AceB do kultúr cicavčích buniek a tieto bunky boli úspešné v transkripcii a translácii týchto génov na príslušné enzýmy, čo dokazuje, že tieto gény môžu byť úspešne začlenené do bunkovej DNA bez poškodenia funkčnosti alebo zdravia buniek. Vpravenie dráhy do transgénnych myší sa však ukázalo byť obtiažne. Zatiaľ čo DNA sa exprimuje v niektorých tkanivách, vrátane pečene a tenkého čreva u testovaných zvierat, úroveň expresie nie je vysoká a nebola štatisticky významná. Aby bolo možné úspešne upraviť a vpraviť tento cyklus do bunky, bolo by nutné spojiť gény s promótormi, ktoré by bolo možné regulovať za účelom zvýšenia úrovne expresie, a podnietiť expresiu v správnych bunkách, ako sú napríklad bunky epitelu.

Snahy vpraviť tento cyklus do zložitejších živočíchov, ako sú ovce, zatiaľ neboli úspešné. Toto ukazuje, že v tejto oblasti je nutný ďalší výskum a naznačuje to, že vyššia úroveň expresie tohto cyklu by u zvierat nemusela byť tolerovaná chemickým zložením buniek. Začlenenie cyklu do cicavcov zúžitkuje pokrok v technológii prenosu jadra, ktorá inžinierom umožní skúmať a dosiahnuť funkčnú integráciu dráhy do genómu pred jeho transferom do zvierat.

Existujú však i možné benefity neprítomnosti tohto cyklu v bunkách cicavcov. Cyklus je prítomný u mikroorganizmov, ktoré spôsobujú choroby, ale chýba u cicavcov, napríklad u človeka. Existuje tu možnosť vývoja antibiotík, ktoré by boli zamerané na glyoxylátový cyklus, čo by zabilo patogénne mikroorganizmy, ktorých prežitie závisí na tomto cykle, ale neublížili by človeku, keďže uňho nie jetento cyklus prítomný a teda nie sú prítomné ani enzýmy, na ktoré by antibiotikum pôsobilo.

Referencie

Externé odkazy 
 Comparative Analysis of Glyoxylate Cycle Key Enzyme Isocitrate Lyase from Organisms of Different Systematic Groups (v angličtine)

Zdroj 

Metabolické dráhy