УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2013, том 133, № 6, с.550-563
УДК 577.1:581
ИЗОФЕРМЕНТЫ ИЗОЦИТРАТЛИАЗЫ И ИХ РОЛЬ У ОРГАНИЗМОВ РАЗНОГО УРОВНЯ ОРГАНИЗАЦИИ
© 2013 г. А. Т. Епринцев, А. В. Сальников, А. М. Хаба, М. В. Зайчикова
Воронежский государственный университет Е-mail: biolog1987@rambler.ru
Рассмотрено современное состояние вопроса о распространенности изоферментов изоцитратлиа-зы - важнейшего фермента глиоксилатного цикла, имеющего широкое распространение в природе и функционирующего в различные физиологические периоды жизни у многих организмов. Показано, что наряду с многочисленными литературными данными о функционировании изоферментов изоцитратлиазы в клетках бактерий, протистов, грибов, растений и нематод, единого мнения о возможности индукции данных изоферментов в тканях животных и птиц до настоящего времени не существует. Рассмотрены кинетические и физико-химические параметры растительной и животной изоцитратлиаз, молекулярно-биологические аспекты их функционирования, а также механизмы экспрессионной регуляции данных энзимов. Обсуждается физиологическая роль изоферментов изоцитратлиазы у организмов различных таксономических групп.
Ключевые слова: изоцитратлиаза, изоферменты, глиоксилатный цикл, глюконеогенез, экспрессия.
ВВЕДЕНИЕ
Изоцитратлиаза (ИЦЛ) известна как важнейший фермент глиоксилатного цикла, имеет широкое распространение в природе и функционирует в различные физиологические периоды жизни у многих организмов. В частности для растений, этот фермент является ключевым на этапе прорастания, обеспечивая протекание важнейшего процесса - глюконеогенеза. Сообщалось о наличии изоцитратлиазы и в клетках тканевой культуры лепестков розы, и в зеленых листьях ряда растений, где ее активность замаскирована эндогенными ингибиторами. К настоящему времени список покрытосеменных растений, у которых обнаружен глиоксилатный цикл, довольно велик (Епринцев и др., 2008). Известно также, что активность изоцит-ратлиазы увеличивается при старении растения, что позволяет преобразовывать липиды в органические кислоты (Землянухин и др., 1986).
Несмотря на то что ИЦЛ является преимущественно глиоксисомальным энзимом, есть сведения также о наличии второй формы фермента (Игам-бердиев, 1990). Обнаруженная ранее внеглиок-сисомальная изоформа фермента существенно отличается от глиоксисомальной изоцитратлиазы жирозапасающих тканей, локализованной, по-видимому, в цитоплазме и участвующей в утилизации глиоксилата, образующегося при фотодыхании (Епринцев и др., 2007). Из щитков кукурузы,
являющихся метаболически наиболее активной частью семени, было выделено два изофермента ИЦЛ, один из которых обеспечивал функционирование ГЦ (Епринцев и др., 2005, 2007).
В последнее время активно исследуется изо-ферментный состав изоцитратлиазы в различных организмах (в животных, грибах, микроорганизмах и растениях). Так, в геноме Saccharomyces cerevisiae обнаружено два гена изоцитратлиазы, расположенных в разных хромосомах. Ген icl1, ответственный за транскрипцию изофермента ИЦЛ, катализирующего образование сукцината и глиок-силата из изоцитрата, расположен в хромосоме 5 (Luttik, 2000). Ген icl2 находится в хромосоме 16, а его продукт локализован в митохондриальном матриксе и участвует в метилцитратном цикле, катализируя конверсию 2-метилизоцитрата в сукци-нат и глиоксилат (Phue, Shiloach, 2004). В геноме Aspergillus fumigatus обнаружены два гена изоцит-ратлиазы, acuD и icl, расположенных в хромосоме 4 и 6, соответственно (GeneBank, Swissprot (http:// www. ncbi. nlm. nih.gov)) ( Ebel et. al., 2006).
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ГЛИОКСИЛАТНОГО ЦИКЛА
Глиоксилатный цикл - важный этап трансформации жирных кислот в углеводы у организмов разных таксономических групп. Некоторые авторы считают, что данный циклический фермента-
тивный процесс представляет модификацию цикла трикарбоновых кислот (Епринцев и др., 2005; Kornberg, Krebs, 1957).
Впервые глиоксилатный цикл был обнаружен в клетках Pseudomonas sp., выращиваемых на ацетате (Kornberg, Krebs, 1957). При изучении бактерий, способных расти на ацетате в качестве единственного источника углерода, было обнаружено присутствие фермента, расщепляющего изоцитрат до глиоксилата и сукцината и фермента, конденсирующего глиоксилат с ацетил-КоА с образованием малата. Исследование этих реакций Корнбергом у Pseudomonas sp. и Escherichia coli (Kornberg, Krebs, 1957) позволило предположить, что ферменты, осуществляющие данные реакции, функционируют в глиоксилатном цикле, который обеспечивает трансформацию двух молекул ацетата (ацетил-КоА) в сукцинат. Глиоксилатный цикл состоит из пяти реакций. На первом этапе ацетил-КоА (С2) конденсируется с глиоксилатом с образованием малата (С4) при помощи ключевого фермента глиоксилатного цикла малатсин-тазы (МС). НАД-зависимая малатдегидрогеназа окисляет малат до оксалоацетата, восстанавливая НАД+. Цитратсинтаза катализирует образование цитрата из оксалоцетата и еще одной молекулы ацетил-КоА. Аконитатгидратаза превращает цитрат в изоцитрат через цис-аконитат. Второй маркерный фермент глиоксилатного цикла - изоцит-ратлиаза - катализирует расщепление изоцитрата на сукцинат и глиоксилат. Другими словами, последним этапом глиоксилатного цикла является образование сукцината и регенерация глиоксилата в изоцитратлиазной реакции (Masaaki et al., 1986).
Суммарное уравнение глиоксилатного цикла:
2 Ацетил-КоА + Н2О + НАД+ ^ Сукцинат + + 2KoASH + НАДН + Н+.
Глиоксилатный цикл играет важную роль в глюконеогенезе - процессе синтеза углеводов из не углеводных предшественников. Глюконеогенез реализуется при кооперации ферментов, вовлеченных в функционирование различных метаболических путей (липазы, ферменты Р-окисления жирных кислот, глиоксилатного цикла и цикла трикарбоновых кислот). Липазы обнаружены в олеосомах и глиоксисомах, Р-окисление и глиок-силатный цикл протекают в глиоксисомах (Игам-бердиев, 1990), окисление сукцината в оксало-ацетат (или малат) - в митохондриях, конверсия оксалоацетата (малата) в сахарозу - в цитозоле.
Хотя глиоксилатный цикл впервые описан для бактерий, дальнейшие исследования показали, что данный метаболический путь имеет широкое распространение в природе, функционируя в раз-
личные физиологические периоды жизни многих организмов (Kazuo et al., 1989).
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИЗОЦИТРАТЛИАЗЫ
Микроорганизмы
Главной функцией изоцитратлиазы у прокариот является обеспечение роста, когда единственными источниками углерода являются С2-со-единения, такие как этанол или ацетат. Глюкоза не всегда доступна для микроорганизмов, которые, как правило, утилизируют более простые углеродные соединения. Изоцитратлиаза, благодаря участию в функционировании глиоксилатного цикла, позволяет использовать С2-соединения в качестве субстрата для глюконеогенеза (Kornberg, Krebs, 1957).
Пути ассимиляции ацетата могут различаться в зависимости от видовой принадлежности, а также у одного и того же организма - в зависимости от условий. В клетках, способных расти на ацетате, фототрофные пурпурные несерные бактерии условно можно подразделить по наличию ключевых ферментов глиоксилатного цикла на три группы: 1) виды, у которых отсутствуем активность изоцитратлиазы и ацетат утилизируется через цитрамалатный цикл (Rhodospirillum rubrum, Rhodobacter sphaeroides); 2) виды, не имеющие малатсинтазы (Rubrivivax geletinosus, Rhodopseudomonas gelatinosa); 3) виды, обладающие обоими ферментами глиоксилатного шунта, например R. palustris, у которого помимо цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) может также функционировать глиоксилатный цикл. Значение последнего, судя по активности изоцитратлиазы, увеличивается при использовании клетками ацетата или бутирата, особенно в условиях недостатка углекислоты. При переходе от одного типа питания к другому в клетках бактерий происходит перераспределение роли ЦТК и глиоксилатного цикла. В настоящее время список бактерий, в которых обнаружена активность изоцитратлиазы, значительно расширен (Епринцев и др., 2005).
Высшие растения
Изучение распространения изоцитратлиазы среди организмов различной организации позволило выявить активность маркерного фермента глиоксилатного цикла у низших и высших растений.
У высших растений роль изоцитратлиазы сводится, как правило, к утилизации запасных жиров
при прорастании семян и спор. При прорастании семян запасные жиры, являющиеся нерастворимыми, превращаются в углеводы, которые хорошо растворяются в воде, что обеспечивает возможность дальнего транспорта запасных веществ к местам утилизации, где они участвуют в процессах биосинтеза клеточных компонентов. Изоцитратлиаза активно участвует при глюконеогенезе, поскольку именно она обеспечивает протекание этого процесса. Образующиеся углеводы необходимы для анаэробного и аэробного дыхания, в этом и состоит роль ИЦЛ в процессе дыхания зеленых листьев на свету.
Превращение жиров в углеводы происходит при прорастании семян масличных растений, спор папоротников Dryopteris filixmas, Polypodium vulgare, и хвоща Equisetum arvense (Епринцев и др., 2007), при росте пыльцевых трубок и др. (Епринцев и др., 2005). У голосеменных также установлено наличие ИЦЛ в прорастающих семенах пихты (Abies alba), некоторых видов сосны (Pinus pinea, P. pinaster, P. strobus) (Pinzauti et al., 1982), а также гинкго (Ginkgo biloba) (Vanni, Vincenzini, 1972). Активность фермента глиок-силатного цикла коррелирует со степенью маслянистости семян. ИЦЛ встречается также в созревающих плодах банана. Велика ее активность в зрелых плодах авокадо (Surendranathan, Nair, 1978), Сообщалось о наличии ИЦЛ в клетках тканевой культуры лепестков розы и в зеленых листьях ряда растений (Godavari, 1973), где ее активность замаскирована эндогенными ингибиторами. В прорастающих семенах сои ИЦЛ представлена двумя изоферментами, которые имеют различную локализацию в клетке. К настоящему времени список покрытосеменных растений, у которых обнаружен глиоксилатный цикл, довольно велик (Куен и др., 2008).
Долгое время утверждалось, что изоцитратлиа-за появляется только при прорастании масличных семян. Однако было показано, что незначительная
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.