CICLE DE L'GLIOXILATO: CARACTERÍSTIQUES, REACCIONS, REGULACIÓ, FUNCIONS - BIOLOGIA - 2025

El cicle de l'glioxilat és una ruta metabòlica present en les plantes, en alguns microorganismes i en els animals invertebrats (absent en tots els vertebrats), a través de la qual aquests organismes poden convertir els greixos en hidrats de carboni (sucres).

Aquesta ruta va ser descoberta en 1957, mentre Kornberg, Krebs i Beevers intentaven dilucidar com bacteris com Escherichia coli podien créixer en presència d'acetat com a única font de carboni, i com les plàntules en germinació de l'lleteresa (ricí) podien convertir els greixos en carbohidrats.

Esquema de el cicle de l'glioxilat (Font: Agrotman via Wikimedia Commons)

Els estudis d'aquests tres investigadors van portar a la descoberta de dos enzims conegudes com la isocitrat liasa i la malat sintasa, que, juntament amb els enzims de el cicle de Krebs, permeten la síntesi de succinat a partir de dues molècules d'acetil-CoA.

El succinat així produït és convertit a malat mitjançant el cicle d'àcids tricarboxílics, podent posteriorment ser emprat per a la producció de glucosa per mitjà de la gluconeogènesi.

Aquesta ruta passa, en les plantes, en uns orgànuls especials anomenats glioxisomes i és fonamental per a la supervivència de les plàntules durant les primeres etapes de la germinació.

Característiques

La ruta de l'glioxilato pot ser contemplada com una "modificació" de l'cicle de Krebs, amb la diferència que en la primera no ocorre una descarboxilació oxidativa, sinó que poden formar-se àcids dicarboxílics de quatre àtoms de carboni a partir d'unitats d'acetat de dos carbonis.

Aquesta característica de el cicle de l'glioxilato s'ha descrit com una forma que tenen alguns organismes per evitar ("bypass") la pèrdua d'àtoms de carboni en forma de diòxid de carboni que identifica el cicle de Krebs.

En les plantes, el cicle de l'glioxilato passa a l'interior d'uns orgànuls citosólicos envoltats per una membrana simple que es coneixen com glioxisomes. En altres organismes com els llevats i les algues, en canvi, aquesta ruta passa en el citosol.

Els glioxisomes són estructuralment similars als peroxisomes (alguns autors els consideren "peroxisomes especialitzats"), altres orgànuls encarregats de part de la β-oxidació dels àcids grassos i de l'eliminació de les espècies reactives d'oxigen en els organismes eucariotes.

En el seu interior, els àcids grassos són oxidats per produir acetil-CoA, que posteriorment es condensa en compostos de quatre àtoms de carboni. Aquests compostos són selectivament transportats cap a la mitocòndria, on són convertits a malat o transportats cap al citosol per entrar a la ruta gluconeogénica (síntesi de glucosa).

Els enzims compartides entre la ruta de l'glioxilato i el cicle d'àcids tricarboxílics ha a la mitocòndria i el glioxisoma com isoenzims, el que significa que les dues rutes funcionen més o menys independentment una de l'altra.

Ocurrència dels glioxisomes

Els glioxisomes no està presents en els teixits vegetals de forma permanent. Són especialment abundants durant la germinació de les llavors oleaginoses, les quals tenen poca capacitat fotosintètica per produir els hidrats de carboni que necessiten per créixer.

A les plantes completament desenvolupades, la seva participació en el metabolisme dels greixos no és tan imprescindible, ja que els sucres s'obtenen principalment per fotosíntesi.

reaccions

L'acetat provinent de la degradació dels àcids grassos funciona com a combustible ric en energia i com una font de fosfoenolpiruvat per a la síntesi de glucosa a través de la gluconeogènesi. El procés es dóna com segueix:

Passos de el cicle de l'glioxilato

1- La ruta de l'glioxilato, de manera similar a la del cicle de Krebs, comença amb la condensació d'una molècula d'acetil-CoA amb una altra de oxalacetat per retre citrat, reacció catalitzada per l'enzim citrat sintasa.

2- enzim aconitasa converteix aquest citrat a isocitrat.

3- El isocitrat és emprat com a substrat de l'enzim isocitrat liasa per formar els compostos succinat i glioxilat.

Estructura molecular de l'enzim Isocitrato liasa (Font: Vrabiochemhw via Wikimedia Commons)

4- El glioxilat és pres per l'enzim malat sintasa per produir malat a través del seu condensació amb una segona molècula d'acetil-CoA.

5- El malat és convertit en oxalacetat per la malat deshidrogenasa i aquest compost pot servir de precursor per a la ruta gluconeogénica o condensar amb un altre acetil-CoA per reiniciar el cicle un cop més.

6- El succinat produït també pot ser convertit a fumarat i aquest a malat, aportant major quantitat de molècules d'oxalacetat per a la formació de glucosa. Altrament, aquesta molècula també pot ser exportada cap a la mitocòndria per funcionar en el cicle de Krebs.

El oxalacetat entra a la ruta gluconeogénica per a la producció de glucosa gràcies a la seva conversió en fosfoenolpiruvat, que és catalitzada per l'enzim fosfoenolpiruvat carboxiquinasa.

Regulació

Com que els cicles de l'glioxilato i dels àcids tricarboxílics comparteixen nombrosos intermediaris entre si, hi ha una coordinada regulació entre tots dos.

A més, cal que hi hagi mecanismes de control, ja que la síntesi de glucosa i d'altres hexoses a partir de l'acetil-CoA (provinent de la degradació de greixos) implica la participació de al menys quatre rutes:

- La β-oxidació d'àcids grassos que produeixi les molècules d'acetil-CoA necessàries tant per al cicle de l'glioxilato com per al cicle de Krebs i que, en les plantes, té lloc en els glioxisomes.

- El cicle de l'glioxilat, que també passa en els glioxisomes i que, com es va dir, produeix intermediaris com el succinat, malat i oxalacetat.

- El cicle de Krebs, que té lloc a la mitocòndria i en el qual també es produeixen els intermediaris succinat, malat i oxalacetat.

- La gluconeogènesi, que ocorre en el citosol i que preveu l'ús de l'oxalacetat convertit en fosfoenolpiruvat per sintetitzar glucosa.

El principal punt de control està en l'enzim isocitrat deshidrogenasa, la regulació implica una modificació covalent per addició o remoció d'un grup fosfat.

Quan l'enzim és fosforilada s'inactiva, de manera que el isocitrat es dirigeix ​​cap a la via de l'glioxilato per a la producció de glucosa.

funcions

Per a les plantes el cicle de l'glioxilat és fonamental, especialment durant el procés de germinació, ja que la degradació dels greixos emmagatzemades en les llavors és aprofitada per a la síntesi de glucosa en els teixits poc desenvolupats fotosintèticament parlant.

La glucosa és utilitzada com a font d'obtenció d'energia en forma d'ATP o per a la formació de carbohidrats més complexos amb funcions estructurals, però alguns dels intermediaris generats durant la ruta de l'glioxilato també poden servir propòsits de síntesi d'altres components cel·lulars.

en microorganismes

La principal funció de el cicle de l'glioxilato en els microorganismes és la de proveir una ruta metabòlica "alternativa", de manera que els microorganismes siguin capaços d'aprofitar altres fonts de carboni i energia per al seu creixement.

Tal és el cas del bacteri Escherichia coli, en la qual, quan els nivells d'alguns intermediaris de la glucòlisi i del cicle de l'àcid cítric disminueixen (isocitrat, 3-fosfoglicerat, piruvat, fosfoenolpiruvat i oxalacetat), l'enzim isocitrat deshidrogenasa (que participa en el cicle de Krebs) és inhibida i el isocitrat és dirigit cap a la ruta de l'glioxilato.

Si aquesta ruta es pot utilitzar en el moment en què el bacteri creix en un medi ric en acetat, per exemple, aquest metabòlit pot ser emprat per sintetitzar àcids carboxílics de quatre àtoms de carboni que, posteriorment, poden derivar en la formació de carbohidrats d'energètics.

Per a altres organismes com els fongs, per exemple, s'ha demostrat que la patogenicitat depèn en gran mesura de la presència d'un cicle de l'glioxilato actiu, aparentment per raons metabòliques.

referències

1. Dey, P., & Harborne, J. (1977). Plant Biochemistry. San Diego, Califòrnia: Academic Press.
2. Ensign, SA (2006). Revisiting the glyoxylate cycle: alternate pathways for microbial acetate Assimilation. Molecular Microbiology, 61 (2), 274-276.
3. Garrett, R., & Grisham, C. (2010). Bioquímica (4th ed.). Boston, USA: Brooks / Cole. Cengage Learning.
4. Lorenz, MC, & Fink, GR (2001). The glyoxylate cycle is required for fungal virulence. Nature, 412, 83-86.
5. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Bioquímica (3th ed.). San Francisco, Califòrnia: Pearson.
6. Rawn, JD (1998). Bioquímica. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
7. Vallarino, JG, & Osorio, S. (2019). Organic Acids. In Postharvest Physiology and Biochemistry of Fruits and Vegetables (pp. 207-224). Elsevier Inc.