Кіріспе
Бір-бірімен байланысты биохимиялық реакциялар сериясы. Глиоксилат циклы – трикарбоксил қышқылы циклының бір түрі, өсімдіктерде, бактерияларда, протосталарда және саңырауқұлақтарда кездесетін анаболикалық жол. Глиоксилат циклы ацетил-КоА-ны көмірсулар синтезі үшін сукцинатқа түрлендіруге қатысты. Микроорганизмдерде глиоксилат циклы жасушаларға екі көміртекті (С2) қосылыстарды, мысалы ацетатты, глюкоза немесе фруктоза сияқты қарапайым қанттар болмағанда жасушаның көміртектік қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Нематодалардан басқа, жануарларда бұл циклдің жоқ деп есептеледі, олардың эмбриогенезінің бастапқы кезеңдерін қоспағанда. Алайда, соңғы жылдары кейбір жануар тіндерінде глиоксилат циклының маңызды ферменттері – малат синтетазасы (МС) және изоцитрат лиазасы (ИКЛ) табылды, бұл бактериялар мен жануарлардағы ферменттердің эволюциялық байланысы туралы сұрақтар тудырды және жануарлардың циклдің басқа ферменттерін кодтайтынын, олардың функциясы белгілі МС және ИКЛ-ден өзгеше екенін көрсетеді. Өсімдіктер, сондай-ақ кейбір балдырлар мен бактериялар көміртек қосылыстарын өндіру үшін ацетатты көміртек көзі ретінде пайдалана алады. Өсімдіктер мен бактериялар екі көміртекті ацетат бірлігінен төрт көміртекті дикарбоксил қышқылын өндіру үшін ТҚҚ циклының модификациясын, яғни глиоксилат циклын қолданады. Глиоксилат циклы ТҚҚ циклының екі тотығу декарбоксилдеу реакциясын айналып өтеді және изоцитратты изоцитрат лиазасы мен малат синтетазасы арқылы тікелей малат пен сукцинатқа түрлендіреді. Глиоксилат циклы 1957 жылы Оксфорд университетінде сэр Ханс Корнберг және оның жетекшісі Ханс Кребс ашқан, нәтижесінде «Nature» журналында «C2 бірліктерінен жасуша құрамының синтезі. Өзгертілген трикарбоксил қышқылы циклы» атты мақала жарияланды.
The glyoxylate cycle, a variation of the tricarboxylic acid cycle, is an anabolic pathway occurring in plants, bacteria, protists, and fungi. The glyoxylate cycle centers on the conversion of acetyl CoA to succinate for the synthesis of carbohydrates. In microorganisms, the glyoxylate cycle allows cells to use two carbons (C2 compounds), such as acetate, to satisfy cellular carbon requirements when simple sugars such as glucose or fructose are not available. The cycle is generally assumed to be absent in animals, with the exception of nematodes at the early stages of embryogenesis. In recent years, however, the detection of malate synthase (MS) and isocitrate lyase (ICL), key enzymes involved in the glyoxylate cycle, in some animal tissue has raised questions regarding the evolutionary relationship of enzymes in bacteria and animals and suggests that animals encode alternative enzymes of the cycle that differ in function from known MS and ICL in non metazoan species. Plants as well as some algae and bacteria can use acetate as the carbon source for the production of carbon compounds. Plants and bacteria employ a modification of the TCA cycle called the glyoxylate cycle to produce four carbon dicarboxylic acid from two carbon acetate units. The glyoxylate cycle bypasses the two oxidative decarboxylation reactions of the TCA cycle and directly converts isocitrate through isocitrate lyase and malate synthase into malate and succinate. The glyoxylate cycle was discovered in 1957 at the University of Oxford by Sir Hans Kornberg and his mentor Hans Krebs, resulting in a Nature paper Synthesis of Cell Constituents from C2 Units by a Modified Tricarboxylic Acid Cycle.
ТСА циклымен ұқсастықтар
Глиоксилат циклы трикарбонды қышқылдар циклымен байланысты сегіз ферменттің бесеуін қолданады: цитрат синтетаза, аконитаза, сукцинат дегидрогеназа, фумараза және малат дегидрогеназа. Екі циклдің айырмашылығы – глиоксилат циклында изоцитрат α-кетоглутаратқа емес, изоцитрат лиаза (ICL) арқылы глиоксилатқа және сукцинатқа айналады.
Патогенді саңырауқұлақтар
Глиоксилат циклы кейбір патогенді саңырауқұлақ түрлерінде мүлдем басқа мақсатта қызмет етуі мүмкін. Адам иесімен жанасқан кезде глиоксилат циклының негізгі ферменттері ICL және MS деңгейі күрт өседі. Белгілі бір саңырауқұлақ түрінің ICL-ды жоқ мутанттары, егеуқұйрықтармен жүргізілген зерттеулерде, жабайы типке қарағанда айтарлықтай аз вируленттілік көрсетті. Бұл екі байқаудың арасындағы нақты байланыс әлі зерттелуде, бірақ глиоксилат циклының осы микроорганизмдердің патогенезінде маңызды рөл атқаратыны айқын.
Омыртқалы жануарлар
Бір кезде омыртқалы жануарлар бұл циклды жүзеге асыра алмайды деп есептелген, себебі оның екі маңызды ферменті – изоцитрат лиаза және малат синтетазасының болуына дәлелдер табылған жоқ. Дегенмен, кейбір зерттеулер бұл жолдың кейбір, мүмкін, барлық омыртқалы жануарларда да болуы мүмкін екенін ұсынады. Атап айтқанда, кейбір зерттеулер тауықтардың бауыр тінінде глиоксилат циклының құрамдас бөліктерінің айтарлықтай мөлшерде табылуын көрсетеді. Мұндай мәліметтер циклдің тіпті ең күрделі омыртқалы жануарларда да теориялық тұрғыдан жүзеге асуы мүмкін деген ойды қолдайды. Басқа тәжірибелер де бұл циклдің белгілі бір жәндіктер мен теңіз омыртқасыздарының түрлерінде бар екенін көрсетті, сондай-ақ нематода түрлерінде оның болуына нақты дәлелдер ұсынды. Бірақ басқа тәжірибелер бұл мәлімдемені жоққа шығарды. Кейбір жарияланымдар сүтқоректілерде циклдің болуы туралы келіспеушіліктерді қамтиды: мысалы, бір мақалада глиоксилат циклының қысқы ұйқыда жатқан аюларда активті екені айтылған, бірақ бұл хабарлама кейінірек жарық көрген мақалада күмәндану тудырды. Адамдарда митохондриялық текті CLYBL деп аталатын қос функционалды малат/B метилмалат синтетазасының, қоныс майы мен бүйректе экспрессияланатын малат синтетазасының активтілігіне қатысты мәліметтер бар. D витамині бұл жолды омыртқалы жануарларда реттеуге қабілетті.
Глиоксилат циклін тежеу
Глиоксилат циклінің патогенді түрлердің, оның ішінде саңырауқұлақтар мен бактериялардың метаболизміндегі орталық роліне байланысты, глиоксилат циклінің ферменттері қазіргі уақытта ауруларды емдеу үшін тежеу нысаналары болып табылады. Глиоксилат циклының көптеген хабарланған ингибиторлары циклдің бірінші ферментін (ICL) нысаналайды. Candida albicans үшін антифунгальдік заттар ретінде қолдануға болатын ингибиторлар туралы мәлімделген. Микобактериялық глиоксилат циклы туберкулезді емдеудің мүмкін болатын жолы ретінде де зерттелуде.
Инженерлік тұжырымдамалар
Қазіргі кезде биоинженерлер үшін түрлі метаболикалық жолдарды сүтқоректілерге енгізу перспективасы зор қызығушылық тудырады. Глиоксилат циклы – инженерлер сүтқоректілер жасушаларына енгізуге тырысқан жолдардың бірі. Бұл, ең алдымен, қойлардағы жүн өндірісін арттыру мақсатында инженерлерге қызығушылық тудырады, себебі жүн өндірісі глюкоза қорына қолжетімділікпен шектеледі. Циклды қойларға енгізу арқылы жасушалардағы ацетаттың көп қоры цикл арқылы глюкоза синтезі үшін пайдаланылуы мүмкін, бұл жүн өндірісін арттыруға әкеледі. Сүтқоректілерде изоцитрат лиаза және малат синтаза деген екі ферменттің жетіспеуіне байланысты бұл циклді жүзеге асыру мүмкін емес. Бірақ, кейбір ғалымдардың пікірінше, осы ферменттерді өндіретін гендер сүтқоректілерде псевдогендік күйде, яғни геннің жоқ емес, жай ғана «өшірілген» күйде екендігі айтылады. Қой сияқты күрделі жануарларға бұл жолды енгізуге жасалған әрекеттер нәтижесіз болды. Бұл мәселе бойынша тағы да көп зерттеулер қажеттігін көрсетеді және жануарлардағы циклдің жоғары деңгейде өрбуі жасуша химиясымен үйлеспеуі мүмкін екенін ұсынады. Циклды сүтқоректілерге енгізу ядролық трансфер технологиясының жетістіктерінен үлкен пайда көреді, бұл инженерлерге геномға функционалдық интеграция үшін жолды зерттеуге және оған қол жеткізуге, содан кейін жануарларға беруге мүмкіндік береді. Дегенмен, сүтқоректілер жасушаларында циклдің болмауының да пайдасы болуы мүмкін. Мысалы, адамдар сияқты сүтқоректілерде бұл цикл болмаса, ауру тудыратын микроорганизмдерде ол кездеседі. Глиоксилат циклына шабуылдайтын, циклға тәуелді ауру тудыратын микроорганизмдерді өлтіретін, бірақ цикл және оның ферменттері болмағандықтан адамдарға зиян келтірмейтін антибиотиктерді жасауға жоғары мүмкіндік бар.