Ciclo de glioxilato
El ciclo del glioxilato, una variación del ciclo del ácido tricarboxílico, es una vía anabólica que ocurre en plantas, bacterias, protistas y hongos. El ciclo del glioxilato se centra en la conversión de acetil-CoA en succinato para la síntesis de carbohidratos. En los microorganismos, el ciclo del glioxilato permite a las células utilizar dos carbonos (compuestos C2), como el acetato, para satisfacer las necesidades de carbono celular cuando los azúcares simples como la glucosa o la fructosa no están disponibles. Generalmente se supone que el ciclo está ausente en los animales, con excepción de los nematodos en las primeras etapas de la embriogénesis. Sin embargo, en los últimos años, la detección de malato sintasa (MS) e isocitrato liasa (ICL), enzimas clave implicadas en el ciclo del glioxilato, en algunos tejidos animales ha planteado dudas sobre la relación evolutiva de las enzimas en bacterias y animales y sugiere que los animales codifican enzimas alternativas del ciclo que difieren en función de las conocidas MS e ICL en especies no metazoarias.
Las plantas, así como algunas algas y bacterias, pueden utilizar el acetato como fuente de carbono para la producción de compuestos de carbono. Las plantas y bacterias emplean una modificación del ciclo del TCA llamado ciclo del glioxilato para producir ácido dicarboxílico de cuatro carbonos a partir de dos unidades de acetato de carbono. El ciclo del glioxilato evita las dos reacciones de descarboxilación oxidativa del ciclo del TCA y convierte directamente el isocitrato a través de la isocitrato liasa y la malato sintasa en malato y succinato.
El ciclo del glioxilato fue descubierto en 1957 en la Universidad de Oxford por Sir Hans Kornberg y su mentor Hans Krebs, lo que dio lugar a un artículo en Nature Synthesis of Cell Constituents from C2-Units por un ciclo del ácido tricarboxílico modificado.
Similitudes con el ciclo TCA
El ciclo del glioxilato utiliza cinco de las ocho enzimas asociadas con el ciclo del ácido tricarboxílico: citrato sintasa, aconitasa, succinato deshidrogenasa, fumarasa y malato deshidrogenasa. Los dos ciclos se diferencian en que en el ciclo del glioxilato, el isocitrato se convierte en glioxilato y succinato mediante la isocitrato liasa (ICL) en lugar de en α-cetoglutarato. Esto evita los pasos de descarboxilación que tienen lugar en el ciclo del ácido cítrico (ciclo TCA), lo que permite utilizar compuestos de carbono simples en la síntesis posterior de macromoléculas, incluida la glucosa. Posteriormente, el glioxilato se combina con acetil-CoA para producir malato, catalizado por la malato sintasa. El malato también se forma en paralelo a partir del succinato por la acción de la succinato deshidrogenasa y la fumarasa.
Papel en la gluconeogénesis
Los vertebrados suelen utilizar los ácidos grasos de los lípidos como fuente de energía, ya que los ácidos grasos se degradan mediante la oxidación beta en moléculas de acetato. Este acetato, unido al grupo tiol activo de la coenzima A, entra en el ciclo del ácido cítrico (ciclo TCA), donde se oxida completamente a dióxido de carbono. Esta vía permite así que las células obtengan energía de la grasa. Para utilizar el acetato de la grasa para la biosíntesis de carbohidratos, se utiliza el ciclo del glioxilato, cuyas reacciones iniciales son idénticas al ciclo del TCA.
Los organismos que contienen paredes celulares, como plantas, hongos y bacterias, requieren cantidades muy grandes de carbohidratos durante el crecimiento para la biosíntesis de polisacáridos estructurales complejos, como la celulosa, los glucanos y la quitina. En estos organismos, en ausencia de carbohidratos disponibles (por ejemplo, en ciertos ambientes microbianos o durante la germinación de semillas en plantas), el ciclo del glioxilato permite la síntesis de glucosa a partir de lípidos a través del acetato generado en la β-oxidación de ácidos grasos.
El ciclo del glioxilato evita los pasos del ciclo del ácido cítrico donde el carbono se pierde en forma de CO2. Los dos pasos iniciales del ciclo del glioxilato son idénticos a los del ciclo del ácido cítrico: acetato → citrato → isocitrato. En el siguiente paso, catalizado por la enzima del primer ciclo del glioxilato, la isocitrato liasa, el isocitrato se escinde en succinato y glioxilato (este último da nombre al ciclo). El glioxilato se condensa con acetil-CoA (un paso catalizado por la malato sintasa), produciendo malato. Tanto el malato como el oxalacetato se pueden convertir en fosfoenolpiruvato, que es el producto de la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, la primera enzima en la gluconeogénesis. Por tanto, el resultado neto del ciclo del glioxilato es la producción de glucosa a partir de ácidos grasos. El succinato generado en el primer paso puede entrar en el ciclo del ácido cítrico para eventualmente formar oxaloacetato.
Función en los organismos
Plantas
En las plantas, el ciclo del glioxilato ocurre en peroxisomas especiales que se llaman glioxisomas. Este ciclo permite que las semillas utilicen lípidos como fuente de energía para formar el brote durante la germinación. La semilla no puede producir biomasa mediante la fotosíntesis debido a la falta de un órgano que realice esta función. Las reservas de lípidos de las semillas en germinación se utilizan para la formación de carbohidratos que alimentan el crecimiento y desarrollo del organismo.
El ciclo del glioxilato también puede proporcionar a las plantas otro aspecto de diversidad metabólica. Este ciclo permite a las plantas absorber acetato como fuente de carbono y como fuente de energía. El acetato se convierte en acetil CoA (similar al ciclo del TCA). Este acetil CoA puede continuar a través del ciclo del glioxilato y durante el ciclo se libera algo de succinato. La molécula de succinato de cuatro carbonos se puede transformar en una variedad de carbohidratos mediante combinaciones de otros procesos metabólicos; la planta puede sintetizar moléculas utilizando acetato como fuente de carbono. El acetil CoA también puede reaccionar con el glioxilato para producir algo de NADPH a partir de NADP+, que se utiliza para impulsar la síntesis de energía en forma de ATP más adelante en la cadena de transporte de electrones.
Hongos patógenos
El ciclo del glioxilato puede tener un propósito completamente diferente en algunas especies de hongos patógenos. Los niveles de las principales enzimas del ciclo del glioxilato, ICL y MS, aumentan considerablemente al entrar en contacto con un huésped humano. Los mutantes de una especie particular de hongo que carecía de ICL también fueron significativamente menos virulentos en estudios con ratones en comparación con el tipo salvaje. Aún se está explorando el vínculo exacto entre estas dos observaciones, pero se puede concluir que el ciclo del glioxilato es un factor importante en la patogénesis de estos microbios.
Vertebrados
Alguna vez se pensó que los vertebrados eran incapaces de realizar este ciclo porque no había evidencia de sus dos enzimas clave, la isocitrato liasa y la malato sintasa. Sin embargo, algunas investigaciones sugieren que esta vía puede existir en algunos, si no en todos, los vertebrados. Específicamente, algunos estudios muestran evidencia de que los componentes del ciclo del glioxilato existen en cantidades significativas en el tejido hepático de los pollos. Datos como estos respaldan la idea de que, en teoría, el ciclo podría ocurrir incluso en los vertebrados más complejos. Otros experimentos también han proporcionado evidencia de que el ciclo está presente entre ciertas especies de insectos e invertebrados marinos, así como pruebas sólidas de la presencia del ciclo en especies de nematodos. Sin embargo, otros experimentos refutan esta afirmación. Algunas publicaciones entran en conflicto sobre la presencia del ciclo en los mamíferos: por ejemplo, un artículo ha afirmado que el ciclo del glioxilato está activo en los osos en hibernación, pero este informe fue cuestionado en un artículo posterior. Existe evidencia de actividad malato sintasa en humanos debido a una función dual malato/B-metilmalato sintasa de origen mitocondrial llamada CLYBL expresada en la grasa parda y el riñón. La vitamina D puede regular esta vía en los vertebrados.
Inhibición del ciclo del glioxilato
Debido al papel central del ciclo del glioxilato en el metabolismo de especies patógenas, incluidos hongos y bacterias, las enzimas del ciclo del glioxilato son objetivos de inhibición actuales para el tratamiento de enfermedades. La mayoría de los inhibidores del ciclo del glioxilato informados se dirigen a la primera enzima del ciclo (ICL). Se informaron inhibidores de Candida albicans para su uso potencial como agentes antifúngicos. El ciclo del glioxilato de micobacterias también está siendo objeto de posibles tratamientos contra la tuberculosis.
Conceptos de ingeniería
La perspectiva de diseñar diversas vías metabólicas en mamíferos que no las poseen es un tema de gran interés para los bioingenieros en la actualidad. El ciclo del glioxilato es una de las vías que los ingenieros han intentado manipular en células de mamíferos. Esto interesa principalmente a los ingenieros para aumentar la producción de lana en las ovejas, que está limitada por el acceso a las reservas de glucosa. Al introducir la vía en las ovejas, las grandes reservas de acetato en las células podrían usarse para sintetizar glucosa a lo largo del ciclo, lo que permitiría una mayor producción de lana. Los mamíferos son incapaces de ejecutar la vía debido a la falta de dos enzimas, isocitrato liasa y malato sintasa, que son necesarias para que se lleve a cabo el ciclo. Sin embargo, algunos creen que los genes que producen estas enzimas son pseudogénicos en los mamíferos, lo que significa que el gen no está necesariamente ausente, sino que simplemente está "desactivado".
Para diseñar la vía hacia las células, los genes responsables de codificar las enzimas tuvieron que aislarse y secuenciarse, lo que se hizo utilizando la bacteria E.coli, de la cual surgió el gen AceA. responsable de codificar la isocitrato liasa, y se secuenciaron el gen AceB, responsable de codificar la malato sintasa. Los ingenieros han podido incorporar con éxito los genes AceA y AceB en células de mamíferos en cultivo, y las células lograron traducir y transcribir los genes en las enzimas apropiadas, lo que demuestra que los genes se pueden incorporar con éxito al ADN de la célula sin dañar la funcionalidad. o la salud de la célula. Sin embargo, ha resultado difícil para los ingenieros poder diseñar la vía en ratones transgénicos. Si bien el ADN se ha expresado en algunos tejidos, incluidos el hígado y el intestino delgado en animales de prueba, el nivel de expresión no es alto y no se ha encontrado que sea estadísticamente significativo. Para diseñar con éxito la vía, los ingenieros tendrían que fusionar el gen con promotores que pudieran regularse para aumentar el nivel de expresión y tener la expresión en las células adecuadas, como las células epiteliales.
Los esfuerzos para diseñar la vía en animales más complejos, como las ovejas, no han sido efectivos. Esto ilustra que es necesario realizar mucha más investigación sobre el tema y sugiere que es posible que la química de la célula no tolere una alta expresión del ciclo en animales. La incorporación del ciclo en los mamíferos se beneficiará de los avances en la tecnología de transferencia nuclear, que permitirá a los ingenieros examinar y acceder a la vía de integración funcional dentro del genoma antes de su transferencia a los animales.
Sin embargo, la ausencia del ciclo en las células de mamíferos tiene posibles beneficios. El ciclo está presente en microorganismos que causan enfermedades pero está ausente en mamíferos, por ejemplo en humanos. Existe una gran probabilidad de que se desarrollen antibióticos que atacarían el ciclo del glioxilato, lo que mataría a los microorganismos causantes de enfermedades que dependen del ciclo para su supervivencia, pero que no dañarían a los seres humanos donde se encuentra el ciclo y, por tanto, a las enzimas que el antibiótico apuntaría, están ausentes.