УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2008, том 128, № 3, с. 271-280
УДК 577.124.5
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ГЛИОКСИЛАТНОГО ЦИКЛА У ОРГАНИЗМОВ РАЗЛИЧНЫХ ТАКСОНОМИЧЕСКИХ ГРУПП
© 2008 г. А. Т. Епринцев, М. Ю. Шевченко, В. Н. Попов
Воронежский государственный университет
Рассмотрено современное состояние вопроса распространенности глиоксилатного цикла - важного этапа трансформации жирных кислот в углеводы у организмов разного уровня организации. Отмечено, что наряду с многочисленными литературными данными о функционировании глиоксилатного цикла в клетках бактерий, протистов, грибов, растений и нематод, единого мнения о возможности индукции данного метаболического пути в тканях животных и птиц до настоящего времени не существует. Обнаружено значительное сходство кинетических и физико-химических параметров растительной и животной изоцитратлиаз. Установлено отсутствие специфичных для изоцитратлиазы прокариот, растений и нематод последовательностей нуклеотидов в тканях плацентарных животных.
Одной из ключевых проблем, связанных с обменом веществ, является изучение конверсии жиров в углеводы у животных организмов. Вероятность этого процесса у плацентарных млекопитающих подвергается сомнению [41, 44, 48]. Считается, что окисление липидов приводит к образованию кетоновых тел и их последующему вовлечению в энергетический обмен. Однако, наличие ферментов Р-окисления жирных кислот в животных пе-роксисомах и феномен ресинтеза гликогена, в частности, в печени крыс при глубоком голодании [15, 49] позволяют предположить возможность индукции ферментов глиоксилатного цикла (ГЦ). Данный метаболический путь способен конденсировать две молекулы ацетил-КоА, образующегося при Р-окислении, в глюкогенный сук-цинат, как это происходит в растительной и бактериальной клетках.
Современные исследования показали, что вирулентность патогенных бактерий и грибов, способных поддерживать хроническую инфекцию, определяется функционированием ГЦ [54, 57]. Однако до настоящего времени ни в одной систематической группе животных, исключая нематод [52] и насекомых [7], окончательно не идентифицированы белки, обладающие изоцитратлиазной (ИЦЛ, К.Ф. 4.1.3.1) и малатсинтазной (МС, К.Ф. 4.1.3.2) активностями. Тем не менее, с помощью радиоизотопных и биохимических методов показана возможность индукции ГЦ у многих животных организмов при различных патологических и физиологических состояниях [14, 18, 67, 68]. Современные исследования с использованием компьютерных методов генетического анализа [48] и методов молекулярной биологии [16] свидетельствуют о чрезвычайно высокой вариабельности структуры и функции генов и белков маркерных ферментов глиоксилатного цикла, что заставляет пересмотреть функции энзимов и эволюцию все-
го ГЦ, а также роль глюконеогенетических процессов у организмов разного уровня организации.
БИОХИМИЯ ГЛИОКСИЛАТНОГО ЦИКЛА
Глиоксилатный цикл впервые был обнаружен Корнбергом и Кребсом в бактериальных клетках Pseudomonas sp., выращиваемых на ацетате [51]. Для данных микроорганизмов было показано, что функционирование глиоксилатного цикла связано с конденсацией С2-молекул для синтеза компонентов клетки.
Глиоксилатный цикл представляет модификацию цикла трикарбоновых кислот и состоит из пяти реакций (рисунок). Некоторые биохимические стадии ГЦ идентичны реакциям ЦТК, однако существуют их регуляторные особенности, связанные с функционированием и компартмен-тализацией изоферментов. Считается, что маркерными ферментами ГЦ являются изоцитратли-аза и малатсинтаза, однако, не исключаются и анаплеротические функции данных энзимов [48].
Цитратсинтаза катализирует образование цитрата из оксалоацетата и ацетил-КоА. Акони-татгидратаза изомеризует цитрат в изоцитрат через цмс-аконитат. Далее изоцитрат, не вступая в реакцию, катализируемую изоцитратдегидроге-назой, расщепляется на сукцинат и глиоксилат под действием ключевого фермента ГЦ-изоцит-ратлиазы. В следующей реакции еще одна молекула ацетил-КоА конденсируется с глиоксилатом с образованием малата при помощи второго ключевого фермента ГЦ-малатсинтазы. На заключительной стадии НАД+-зависимая малатдегидрогеназа окисляет малат до оксалоацетата, восстанавливая НАД+. Возможность конденсации С2-соединений в глиоксилатном цикле с образованием глюкоген-ного предшественника - сукцината, определяет
цс
Цитрат
Глюконеогенез
■>,Оксалоацетат
МДГ
/ ;
Малат
АГ
Цис-аконитат
АГ
А \
ß-окисление жирных кислот
Ацетил-КоА
ФГ
»
Мс
гц
Изоцитрат \
ИДГ
ИЦЛ
Глиоксилат а-Кетоглутарат
Фумарат
а-КДГ
сДГ
ЦТК
V ч i
сукцинат
сукцинил-соА
сКоАс
Схематическое изображение реакций цикла трикарбоновых кислот и глиоксилатного цикла: ЦС - цитратсинтаза, АГ - аконитатгидратаза, ИДГ - изоцитратдегидрогеназа, а-КДГ - а-кетоглутаратдегидрогеназа, СКоАС - сукцинил-КоА-синтетаза, СДГ - сукцинатдегидрогеназа, ФГ - фумаратгидратаза, МДГ - малатдегидрогеназа, ИЦЛ - изоцит-ратлиаза, МС - малатсинтаза.
ГЦ как центральный этап трансформации жирных кислот в углеводы [12, 13].
У растений и микроорганизмов глюконеогенез из липидов обеспечивается функционированием пе-роксисомального или митохондриального ß-окис-ления жирных кислот, глиоксилатного цикла, участка цикла Кребса, фосфоенолпируваткабокси-киназы и обращенного гликолиза. Для животных тканей, возможно, реализуется аналогичный путь. Однако наиболее дискуссионным остается вопрос о функционировании в них глиоксилатно-го цикла.
СВЕДЕНИЯ О РАСПРОСТРАНЕНИИ ФЕРМЕНТОВ ГЛИОКСИЛАТНОГО ЦИКЛА У ОРГАНИЗМОВ РАЗНОГО УРОВНЯ ОРГАНИЗАЦИИ
Археи и бактерии
Глиоксилатный цикл был обнаружен в бактериальных клетках Pseudomonas sp. [51]. Функцией данного метаболического пути в прокариотах является обеспечение роста клеток в условиях, когда единственными источниками углерода являются С2-соединения, такие как этанол или ацетат, так как глюкоза не всегда доступна для микроорганизмов, которые, как правило, утилизируют простые углеродные соединения. В настоящее время ферменты ГЦ обнаружены у многих представителей Eubacteria [72]. Индукция ГЦ у бактерий может быть обусловлена переходом от мик-роаэрофильных условий культивирования в аэробные. Так, у Beggiatoa leptomitiformis происходит увеличение слизистых образований бакте-
риальной клеточной стенки из-за синтеза экзопо-лисахаридов, способствующих снижению концентрации кислорода [6]. У бесцветной серобактерии Macromonas bipunctata пути синтеза и утилизации включений оксалатов также связаны с работой глиоксилатного цикла. При этом функционирование данного микроорганизма происходит за счет расщепления оксалоацетата и вовлечения глиоксилата в реакции ГЦ при отсутствии в питательной среде углеводов. У Macromonas bipunctata независимо от используемого соединения углерода, наряду с ЦТК, также может функционировать глиоксилатный цикл [2]. У бактерий рода Leuco-thrix при росте на тиосульфате, используемом ими как донор электронов, снижается роль ЦТК в энергетическом метаболизме клеток и индуцируется работа глиоксилатного цикла, поставляющего интермедиаты для конструктивного метаболизма. Вероятно, это связано с тем, что низкая активность дегидрогеназ не обеспечивает микроорганизмы восстановительными эквивалентами в полной мере [2]. Кроме того, тип питания некоторых бактерий обуславливает индукцию глиоксилатного цикла, при этом трансформация метаболизма осуществляется путем ассоциации -диссоциации некоторых ферментных комплексов [3, 5]. Интересно отметить, что у бактерии Micrococcus denitrificans была обнаружена модификация глиоксилатного цикла [28]. Данная модификация обусловлена аминированием глиоксилата до глицина с последующей конденсацией со второй молекулой глиоксилата с образованием окси-аспартата. При отщеплении аммиака и таутоме-ризации енола образуется оксалоацетат. Иссле-
дователям из Испании удалось изолировать и секвенировать оперон (включающий и ИЦЛ и MC) из галофильной археи Haloferax volcanii [73]. Данные результаты указывают на протекание глиоксилатного цикла у Archaea.
В настоящее время список микроорганизмов, в которых функционируют ферменты глиоксилатного цикла, достаточно велик и при этом ГЦ может функционировать постоянно или индуцироваться в зависимости от наличия в питательной среде органических веществ, доноров электронов и др. [3, 5, 6].
Протисты
Ключевые ферменты глиоксилатного цикла идентифицированы, по крайней мере, в пяти видах внутриклеточного паразита Leishmania (L. brasiliensis, L. donovani, L. mexicana, L. tarentolae и L. tropica). Оба фермента присутствовали в клетках, растущих на среде, содержащей 10 мМ глюкозы. Замена глюкозы на 20 мМ ацетат не увеличивала активности ферментов, однако ацетат был полностью метаболизирован клетками. Вероятно, глиоксилатный цикл вместе с такими ферментами как аланинглиоксилат- и глиоксилатаспартат-ами-нотрансфераза, обеспечивает клетки глиоксила-том - предшественником биосинтеза глицина [17].
Показано, что при инцистировании Acan-thamoeba culbertsoni наблюдается общее снижение липидов и фосфолипидов: лизофосфатидилхоли-на, фосфатидилхолина, фосфатидилэтаноламина и других в закончивших (зрелых) цистирование организмах. При добавлении в среду инкубации трофозоидов меченого ацетата радиоактивность возрастала в целлюлозе. При этом наблюдалась интенсификация активности ИЦЛ в начавших цистирование клетках. Следует отметить, что гли-колат - ингибитор изоцитратлиазы препятствовал образованию цисты [58].
Интересные данные получены при выращивании нефотосинтезирующей Euglena gracilis на ацетате. При этом активности ИЦЛ и MC обнаружены во фракции микротелец [65]. В эвглене при переносе на ацетат в отсутствие света развиваются глиоксисомоподобные структуры, содержащие не только малатсинтазу и изоцитратлиазу, но также цитратсинтазу и малатдегидрогеназу [78]. В [63] показано, что у данного микроорганизма также как и у нематоды Caenorhabditis elegans функционирует один белок, обладающий и ИЦЛ и MC активностями [63].
У нефотосинтезирующей Protozoa Tetrahymena pyriformis изоцитратлиаза и малатсинтаза локализованы в глиоксисомоподобных структурах, однако активности других ферментов глиоксилатного цикла ок
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.