CICLO DEL GLIOSSILATO: CARATTERISTICHE, REAZIONI, REGOLAZIONE, FUNZIONI - BIOLOGIA - 2025

Il ciclo gliossilato è una via metabolica presente nelle piante, in alcuni microrganismi e negli animali invertebrati (assente in tutti i vertebrati), attraverso la quale questi organismi possono convertire i grassi in carboidrati (zuccheri).

Questa via fu scoperta nel 1957, mentre Kornberg, Krebs e Beevers cercavano di chiarire come i batteri come l'Escherichia coli potessero crescere in presenza di acetato come unica fonte di carbonio e come le piantine germinanti di euforbia (Ricinus communis) potessero convertire i grassi in carboidrati.

Schema del ciclo del gliossilato (Fonte: Agrotman tramite Wikimedia Commons)

Gli studi di questi tre ricercatori hanno portato alla scoperta di due enzimi noti come isocitrato liasi e malato sintasi, che, insieme agli enzimi del ciclo di Krebs, consentono la sintesi del succinato da due molecole di acetil-coA.

Il succinato così prodotto viene convertito in malato attraverso il ciclo dell'acido tricarbossilico, e può successivamente essere utilizzato per la produzione di glucosio attraverso la gluconeogenesi.

Questo percorso avviene, nelle piante, in speciali organelli chiamati gliossisomi ed è essenziale per la sopravvivenza delle piantine durante le prime fasi della germinazione.

caratteristiche

La via del gliossilato può essere vista come una "modifica" del ciclo di Krebs, con la differenza che la decarbossilazione ossidativa non si verifica nel primo, ma quattro acidi bicarbossilici di carbonio possono essere formati da unità di acetato di due carboni.

Questa caratteristica del ciclo del gliossilato è stata descritta come un modo che alcuni organismi devono evitare ("bypassare") la perdita di atomi di carbonio sotto forma di anidride carbonica che identifica il ciclo di Krebs.

Nelle piante, il ciclo gliossilato si verifica all'interno degli organelli citosolici circondati da una semplice membrana nota come gliossisomi. In altri organismi come i lieviti e le alghe, invece, questa via avviene nel citosol.

I gliossisomi sono strutturalmente simili ai perossisomi (alcuni autori li considerano "perossisomi specializzati"), altri organelli responsabili di parte della β-ossidazione degli acidi grassi e dell'eliminazione delle specie reattive dell'ossigeno negli organismi eucarioti.

All'interno, gli acidi grassi vengono ossidati per produrre acetil-CoA, che viene successivamente condensato in composti con quattro atomi di carbonio. Questi composti vengono trasportati selettivamente ai mitocondri, dove vengono convertiti in malato o trasportati nel citosol per entrare nella via gluconeogenica (sintesi del glucosio).

Gli enzimi condivisi tra la via del gliossilato e il ciclo dell'acido tricarbossilico esistono nei mitocondri e nel gliossisoma come isoenzimi, il che significa che entrambi i percorsi funzionano più o meno indipendentemente l'uno dall'altro.

Presenza di gliossisomi

I gliossisomi non sono permanentemente presenti nei tessuti vegetali. Sono particolarmente abbondanti durante la germinazione dei semi oleosi, che hanno poca capacità fotosintetica per produrre i carboidrati di cui hanno bisogno per crescere.

Nelle piante completamente sviluppate, la loro partecipazione al metabolismo dei grassi non è così essenziale, poiché gli zuccheri sono ottenuti principalmente dalla fotosintesi.

reazioni

L'acetato dalla degradazione degli acidi grassi funziona come un combustibile ricco di energia e come fonte di fosfoenolpiruvato per la sintesi del glucosio attraverso la gluconeogenesi. Il processo è il seguente:

Fasi del ciclo gliossilato

1- La via del gliossilato, simile a quella del ciclo di Krebs, inizia con la condensazione di una molecola di acetil-CoA con un'altra di ossalacetato per produrre citrato, una reazione catalizzata dall'enzima citrato sintasi.

2- L'enzima Aconitase converte questo citrato in isocitrato.

3- L'isocitrato viene utilizzato come substrato per l'enzima isocitrato liasi per formare i composti succinato e gliossilato.

Struttura molecolare dell'enzima Isocitrate Liasa (Fonte: Vrabiochemhw tramite Wikimedia Commons)

4- Il gliossilato viene assorbito dall'enzima malato sintasi per produrre malato attraverso la sua condensazione con una seconda molecola di acetil-CoA.

5- Il malato viene convertito in ossalacetato dalla malato deidrogenasi e questo composto può fungere da precursore della via gluconeogenica o essere condensato con un altro acetil-CoA per riavviare il ciclo ancora una volta.

6- Il succinato prodotto può anche essere convertito in fumarato e questo in malato, fornendo una maggiore quantità di molecole di ossalacetato per la formazione del glucosio. Altrimenti, questa molecola può anche essere esportata nei mitocondri per funzionare nel ciclo di Krebs.

L'ossalacetato entra nella via gluconeogenica per la produzione di glucosio grazie alla sua conversione in fosfoenolpiruvato, che è catalizzato dall'enzima fosfoenolpiruvato carbossichinasi.

Regolamento

Poiché i cicli del gliossilato e dell'acido tricarbossilico condividono tra loro numerosi intermedi, esiste una regolazione coordinata tra i due.

Inoltre, è necessario che esistano meccanismi di controllo, poiché la sintesi di glucosio e altri esosi da acetil-CoA (dalla degradazione dei grassi) implica la partecipazione di almeno quattro vie:

- La β-ossidazione degli acidi grassi che produce le molecole di acetil-CoA necessarie sia al ciclo gliossilato che al ciclo di Krebs e che, nelle piante, avviene nei gliossisomi.

- Il ciclo gliossilato, che si verifica anche nei gliossisomi e che, come detto, produce intermedi come succinato, malato e ossalacetato.

- Il ciclo di Krebs, che si svolge nei mitocondri e in cui si producono anche gli intermedi succinato, malato e ossalacetato.

- Gluconeogenesi, che si verifica nel citosol e prevede l'uso di ossalacetato convertito in fosfoenolpiruvato per sintetizzare il glucosio.

Il punto di controllo principale è nell'enzima isocitrato deidrogenasi, la cui regolazione implica una modifica covalente aggiungendo o rimuovendo un gruppo fosfato.

Quando l'enzima è fosforilato viene inattivato, quindi l'isocitrato è diretto verso la via del gliossilato per la produzione di glucosio.

Caratteristiche

Per le piante, il ciclo gliossilato è essenziale, soprattutto durante il processo di germinazione, poiché la degradazione dei grassi immagazzinati nei semi viene utilizzata per la sintesi del glucosio nei tessuti fotosinteticamente sottosviluppati.

Il glucosio viene utilizzato come fonte per ottenere energia sotto forma di ATP o per la formazione di carboidrati più complessi con funzioni strutturali, ma alcuni degli intermedi generati durante la via del gliossilato possono anche servire alla sintesi di altri componenti cellulari.

Nei microrganismi

La funzione principale del ciclo del gliossilato nei microrganismi è quella di fornire una via metabolica "alternativa", in modo che i microrganismi siano in grado di sfruttare altre fonti di carbonio ed energia per la loro crescita.

È il caso del batterio Escherichia coli, in cui, quando i livelli di alcuni intermedi della glicolisi e il ciclo dell'acido citrico diminuiscono (isocitrato, 3-fosfoglicerato, piruvato, fosfoenolpiruvato e ossalacetato), l'enzima isocitrato deidrogenasi (che partecipa al ciclo di Krebs) è inibito e l'isocitrato è diretto verso la via del gliossilato.

Se questa via è attiva quando i batteri crescono in un mezzo ricco di acetato, ad esempio, questo metabolita può essere utilizzato per sintetizzare acidi carbossilici con quattro atomi di carbonio che, successivamente, possono portare alla formazione di carboidrati energetici. .

Per altri organismi come i funghi, ad esempio, la patogenicità ha dimostrato di essere fortemente dipendente dalla presenza di un ciclo attivo di gliossilato, apparentemente per ragioni metaboliche.

Riferimenti

1. Dey, P. e Harborne, J. (1977). Biochimica vegetale. San Diego, California: Academic Press.
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