Inleiding
de glyoxylaatcyclus omzeilt de decarboxyleringsstappen van de Krebs-cyclus en veroorzaakt de assimilatie van vloeibare koolstof uit acetyl-CoA. Isocitraat lyase (EC 4.1.3.1) en malaat synthase (EC 2.3.3.9) zijn de enige enzymen voor deze metabole route. De glyoxylaatcyclus komt voor in zaadkieming (Eastmond & Graham, 2001), in sommige ongewervelde dieren, zoals C. elegans (Edwards, Copes, Brito, Canfield, & Bradshaw, 2013) en in micro-organismen, zoals E. coli (Nelson & Cox, 2009) en S. cerevisiae (Rezaei, Aslankoohi, Verrepen, & Courtin, 2015). De route werd beschreven in 1957 tijdens studies naar micro-organismen die groeiden op acetaat en ethanol als koolstofbron (Kornberg & Krebs, 1957).
Acetyl-CoA bindt zich in de glyoxylaatcyclus aan oxaloacetaat en produceert respectievelijk citraat en isocitraat. Laatstgenoemde produceert glyoxylate en succinate in de reactie gekatalyseerd door isocitrate lyase. Verder condenseert glyoxylate met een tweede acetyl-CoA molecuul in een reactie gekatalyseerd door malaat synthase, nadat het geproduceerde malaat wordt geoxideerd tot oxaloacetaat en zo het tussenproduct regenereert (stappen B-1 tot B-5, Figuur 1). Twee acetyl-CoA moleculen worden geïntroduceerd bij elke herhaling van de glyoxylaatcyclus en de vloeibare synthese van één succinaatmolecuul vindt plaats (Beeckmans, 2009; Berg, Stryer, & Tymoczko, 2015; Torres & Marzzoco, 2007).
verder worden koolhydraten die uit reserve lipiden in oliehoudende zaden worden geproduceerd, aan de plant gedistribueerd en als koolstofbron gebruikt totdat de chloroplasten in de bladeren beginnen te differentiëren en fotosynthese beginnen. Vetten en oliën zijn belangrijke chemische structuren in de koolstofopslag van veel zaden, zij het in beperkte vorm, bestaande uit belangrijke landbouwkundige soorten zoals soja, pinda, katoen en zonnebloem (Junqueira, 2012). Laurinezuur (12: 0), myristinezuur (14:0), palmitinezuur (16:0) en stearinezuur (18:0) zijn de belangrijkste verzadigde vetzuren in groenten; onverzadigde zuren zijn oliezuur (18: 1 (Δ9)), linolzuur (18:2(Δ9, 12)) en linoleenzuur (18:3(Δ9, 12, 15)) (Taiz & Zeiger, 2002).
figuur 1.
vetzuren of acetaatkatabolisme produceren energie door de glyoxylaatcyclus, waaruit de integratie blijkt tussen St-oxidatie(stappen a-1 tot A-4), glyoxylaatcyclus (stappen B-1 tot B-5), Krebs-cyclus (stappen C-1 tot en met C-8), gluconeogenese (stappen D-1 tot en met D-3) en glycolyse (stap E-1).
vetzuren met een paar koolstofatomen resulteren niet in koolhydraatsynthese bij dieren (Nelson & Cox, 2009). Dit feit komt voor omdat er geen nettoproductie van oxaloacetaat is om gluconeogenese te ondersteunen aangezien, in dit geval, vetzuren tot acetyl-CoA worden gekataboliseerd. Het tussenproduct wordt geoxideerd in de Krebs-cyclus en voor elke twee koolstofatomen die als acetyl-CoA binnenkomen, gaan twee koolstofatomen als CO2 verloren (Eastmond & Graham, 2001; Nelson & Cox, 2009).
de afwezigheid van de glyoxylaatcyclus bij zoogdieren kan een doelwit zijn van selectieve toxiciteit bij de ontwikkeling van antimicrobiële stoffen. De remmende activiteit van 3-nitropropionamiden op isocitraat lyase bij M. tuberculosis (Sriram et al., 2011), broomfenolen (Oh et al., 2010) en alkaloïden uit sponzen op isocitraat lyase in C. albicans (Lee et al., 2008; Oh et al., 2010) zijn geanalyseerd.
er zijn geen gegevens in de literatuur over de energetische aspecten van lipidenkatabolisme via de glyoxylaatcyclus. In deze context onderzocht het huidige onderzoek de relatie tussen de hoeveelheid energie geproduceerd in de glyoxylaatcyclus, met vetzuurketensgrootte, en vergeleek het energie-rendement in cellen die deze benadering gebruiken, met de dierlijke cellen zonder de glyoxylaatcyclus.
materiaal en methoden
een energiebalans van stappen met de productie en het verbruik van energie werd uitgevoerd om een vergelijking te verkrijgen die direct verband houdt met de ketengrootte van een vetzuur met een koolstofgetal veelvoud van 4, met de energie die wordt geproduceerd door de afbraak ervan. In de gegenereerde vergelijking werden de energiekosten die betrokken zijn bij de activering van het vetzuur voor acyl-CoA niet meegerekend. Het is een stap voorafgaand aan β-oxidatie en omvat het breken van twee hoog-energetische fosfaatbindingen.
de voorgestelde vergelijking werd gevalideerd door de door toepassing verkregen ATP-hoeveelheid te vergelijken met de ATP-snelheden die worden verkregen door toevoeging van ATP-hoeveelheid geproduceerd door oxidatieve fosforylering en fosforylering op het substraatniveau in elke stap van de metabole routes die deelnemen aan de afbraak van vetzuren met behulp van de glyoxylaatcyclus. De vetzuurafbraak omvat β-oxidatie in glyoxysomen, glyoxylaatcyclus, Krebs-cyclus, deel van gluconeogenese en glycolyse, de pyruvaatdecarboxylatie en opnieuw Krebs-cyclus (figuur 1).
de energie-efficiëntie van de afbraak van vetzuren met de glyoxylaatcyclus werd vergeleken met het katabolisme van vetzuren in dierlijke cellen. Eerder gevalideerde vergelijkingen werden gebruikt in deze vergelijking en de energiehoeveelheid geproduceerd in de β-oxidatie zoals die bij dieren voorkomt werd berekend (Gonçalves, Valduga, & Pereira, 2012), gekoppeld aan vergelijkingen ontwikkeld in lopend onderzoek. De energie-efficiëntiefactor in de glyoxylaatcyclus (E%) werd bepaald door de verhouding van ATP geproduceerd in vetzuurkatabolisme, rekening houdend met de glyoxylaatcyclus en dierlijk katabolisme. De parameter werd uitgezet tegen het aantal koolstofatomen van vetzuur. Bovendien werd ATP-snelheid geproduceerd door CH2 eenheid weergegeven als een functie van het aantal koolstoffen van de vetzuurketen. GrapPad Prism 6.0 genereerde de wiskundige modellen die de relatie tussen de variabelen representeerden.
resultaten en discussie
de mitochondriale matrix is de belangrijkste plaats waar de oxidatie van vetzuren in dierlijke cellen plaatsvindt. Het katabolisme van deze biomoleculen komt echter vooral voor in de peroxisomen van bladweefsels en in glyoxysomen tijdens de zaadkieming van de planten (Buchanan, Gruissem, Vickers, & Jones, 2015). De afbraak van vetzuren in glyoxysomen omvat de metabole routes zoals weergegeven in Tabel 1.
Parallel aan de energieproductie heeft de omzetting van vetzuren in koolhydraten andere functies, zoals de productie van structurele polysachariden en nucleotiden via de pentosefosfaatroute (Nelson & Cox, 2009). Wat betreft energiewinst, omvat de kortere en meer energetisch economische manier, waarschijnlijk geselecteerd door evolutie, gluconeogenese tot fosfoenolpyruvaat (stap D-3 in Figuur 1), afgebroken door de glycolytische route.
Amountof energie (ATP) die tijdens de glyoxysomal afbraak van vetzuren
ATP-bedrag (x) als gevolg fromglyoxysomal afbraak van vetzuren met carbon veelvoud van 4, followedby gluconeogenese tot phosphoenolpyruvate en het katabolisme, om energie te produceren,kan worden berekend door de som van het ATP-tarieven die worden geproduceerd en geconsumeerd in de β-oxidatie (ATP-β-OX), glyoxylate cyclus (ATP-C GLYOX),Krebs-cyclus (ATP-C KREBS), gluconeogenese (ATP OXAL-PEP) en glycolyse /Krebs cyclus opnieuw (ATP-PEP-CO2) volgens Vergelijking (1):
elke breuk van koolstof-koolstofbinding tijdens β-oxidatie in glyoxysomen en peroxisomen produceert één NADH die, inoxidatieve fosforylering, 2,5 ATPs produceert (stap a-3 in Figuur 1). In peroxisomen wordt de elektronenenergie die tijdens de eerste stap van β-oxidatie wordt verwijderd, als warmte afgevoerd (stepA-1 in Figuur 1).
daarom is er geen netto energie uit de FADH2 oxidatie (Buchanan et al., 2015). Aangezien α-koolstof wordt veresterd met co-enzym A, vindt de β-oxidatie 
keer plaats, waarbij n het koolstofgetal in de vetzuurketen is. De hoeveelheid ATPs die door β-oxidatie in glyoxylaatcyclus wordt geproduceerd, wordt verkregen door vergelijking (2):
voor elke twee acetyl-CoA moleculen die naar de glyoxylaatcyclus worden geleid, is er een nettoproductie van één succinatemolecule, wat overeenkomt met de helft van de acetyl-CoA hoeveelheid, zodat n/4succinaatmoleculen worden geproduceerd. In de Krebs-cyclus wordt het succinaat geoxideerd tot oxaloacetaat, waarbij 1 FADH2 en 1 NADH worden geproduceerd die 4 ATP in oxidatieve fosforylatie produceren (stappen C-6 en C-8, figuur 1). Deze waarde vermenigvuldigd met n / 4succinaatmoleculen wordt uitgedrukt door vergelijking (3), die de ATPamount vertegenwoordigt die het eerst in de cyclus Krebs wordt geproduceerd:
de regeneratie van oxalacetaat inglyoxylaatcyclus impliceert malaatoxidatie, die 1 NADH produceert Die 2.5 ATPs in oxidatieve phosphorylation oplevert (stap B-5 in Figuur 1). Bijgevolg kan de hoeveelheid energie (ATP) die in de glyoxylaatcyclus wordt geproduceerd, worden uitgedrukt met een vergelijking(4):
overtollige oxaloacetaat geproduceerd in Krebscycle kan worden gericht op gluconeogenese. Om energie te produceren, komt de glucoseogenese voor in de fosfoenolpyruvaatvorming, met 1 GTP besteed (stepD3 in Figuur 1), uitgedrukt in vergelijking (5). De voortzetting van de gluconeogenese voor de vorming van metabolieten afgeleid van hexose is een belangrijk proces dat zaden binnenkrijgt (Buchanan et al., 2015; Eastmond & Graham, 2001; Quettier& Eastmond, 2009):
Phosphoenolpyruvate catabolisminvolves een substraat-niveau phosphorylation die pyruvate (stap E-1,Figuur 1), oxidatieve decarboxylation van pyruvate (Stap F-1) met 1 Nadhproductie, en acetyl-CoA oxidatie aan CO2 produceert. In acetyl-CoA-oxidatie komt de productie van 3 NADH, 1 FADH2 en 1 GTP overeen met 10 fosfatebonden met een hoge energie. Deze toegevoegde waarde aan de phosphorylation van het substraatniveau en oxydatieve phosphorylation verbonden met NADH veroorzaakte decarboxylation van pyruvate, totaal 13.5 ATP (vergelijking 6).
vergelijkingen vervangen(2), (3), (4),(5) en (6) in vergelijking (1) wordt vergelijking (7) verkregen. Wanneer simplifiedalgebraïsch, vergelijking (8) stelt een directe verhouding tussen de hoeveelheid geproduceerde energie (x) en de grootte van de vetzuurketen (n).
Validationof Vergelijking (8) voor het berekenen van de energie (ATP), dat wordt geproduceerd door vet acidsdegradation door de glyoxylate cyclus
Zodat Vergelijking (8) kan worden gevalideerd,wordt de ATP bedrag, verkregen van de toepassing ervan, werd vergeleken met die van de ATP amountcalculated individueel uit de som van acetyl-CoA, NAHD en FADH2 moleculesnumber, en substraat niveau fosforylering, gegenereerd op de oxidatie offatty zuren met een bepaald aantal koolstofatomen in glyoxysomes (Tabel 2). In beide gevallen zijn de verkregen ATP-bedragen equivalent. Rekening houdend met deze gelijkwaardige resultaten, bepaalde de vergelijking die in huidige studie wordt ontwikkeld de energiehoeveelheid die in lipidenkatabolism wordt geproduceerd, die de integratie van metabole wegen overweegt die meer dan twintig stappen impliceert.
bovendien kunnen de energetische balansverzamelvergelijkingen, gevolgd door hun validatie, een belangrijk instrument zijn voor de analyse van verschillende metabole routes. In de biochemie, kunnen aspecten zoals stoichiometrische relaties in metabolische wegen worden benaderd gebruikend de resultaten in huidig onderzoek.
vergelijking tussen de efficiëntie van de afbraak van vetzuren door glyoxylaatcyclus en dierlijk katabolisme
volgens eerdere studies kan de hoeveelheid energie in dierlijke cellen die in ATP wordt geproduceerd door de afbraak van vetzuren met koolstofpaargetal algebraïsch gerelateerd zijn aan de ketengrootte van het vetzuur. Deze relatie wordt uitgedrukt door vergelijking (9) (Gonçalves et al., 2012), die kan worden vergeleken met Vergelijking (8) ontwikkeld in de huidige studie. De twee fasen kunnen worden gebruikt om de energie-efficiëntie te vergelijken tussen ß-oxidatie in dierlijke cellen en cellen van organismen, waar de glyoxylaatcyclus plaatsvindt.
door vergelijking (8) te delen door vergelijking(9) en te vermenigvuldigen met 100, wordt het procentuele rendement (e%) van de afbraak van vetzuren om energie te produceren verkregen, in verhouding tot dierlijk katabolisme, zoals uitgedrukt door vergelijking (10).
het berekenen van E% tegen de lengte van de vetzuurketens (Figuur 2) controleert of de efficiëntie afneemt met de toename van de koolwaterstofketens. Bovendien bereikt de energie die wordt verkregen uit de oxidatie van vetzuren in cellen met glyoxylaatcyclus minder dan 90% van het energieniveau dat zou worden gegenereerd door de vergelijkbare route in een dierlijke cel.
ATP-percentage dat per geoxideerd koolstofatoom (ATP/n) wordt geproduceerd, is ook afhankelijk van de lengte van de vetzuurketens, met een maximumsnelheid van bijna zes ATP/n (figuur 3-a), terwijl dit percentage hoger is in dierlijke cellen (Figuur 3-b).
Figuur 2.
vergelijking tussen energetische efficiëntie van vetzuurafbraak in dierlijke β-oxidatie en β-oxidatie in organismen met glyoxylaatcyclusenzymen, veroorzaakt door de lengte van de vetzuurketen.
in tegenstelling tot dieren, planten en sommige micro-organismen kunnen acetylcoa van oxydatie van vetzuren omzetten in suikers. De organismen combineren de glyoxylaatcyclus en gluconeogenesisreactions,die tussen glyoxysomes / peroxisomes, mitochondria en cytosol worden gecompartimenteerd. Deze eigenschap geeft hogere metabolische veelzijdigheid, toestaand bacteriën om acetaat als energiebron en installaties te gebruiken aan storelipiden in de zaden als energiebron die tijdens ontkieming moet worden gebruikt.
Figuur 3.
ATP-snelheid geproduceerd door koolstofatoom (ATP/n)als gevolg van de koolstofatomen van zure vetzuren (n) in glyoxylaatcyclus (A) en dierlijk katabolisme (b). Het ATP / n-percentage neemt aanzienlijk toe tot ongeveer n = 20, waarna het tarief op minder significante wijze toeneemt.
conclusie
de afbraak van vetzuren door de glyoxylaatcyclus voor de productie van energie impliceert β-oxidatie, met zijn bijzondere kenmerken in glyoxysomen, glyoxylaatcyclus, Krebs-cyclus, gluconeogenese en glycolyse. Ondanks deze stappen en metabolische routes kan in algebraïsche termen een stoichiometrische relatie worden vastgesteld tussen de ketenlengte van vetzuren en de hoeveelheid energie die in de afbraak ervan wordt geproduceerd.
de vergelijking tussen de stoichiometrie-energetiek die betrokken is bij deze metabole routes en de stoichiometrie-energetiek van β-oxidatie zoals die voorkomt in dierlijke cellen, toont een vermindering van de energie-efficiëntie in vergelijking met het metabolisme van dieren. Terwijl de omleiding van decarboxylation reacties van Krebs cyclus evolutionaire aanpassingen aan de organismen wanneer aanwezig verleent, bepaalt het ook een lagere energiehoeveelheid die per koolstofatoom wordt geproduceerd wanneer vergeleken bij de degradatie van de vetzuren in dieren.