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 a succinato para la síntesis de carbohidratos . [1] En los microorganismos, el ciclo del glioxilato permite que las células utilicen dos carbonos (compuestos C2), como el acetato, para satisfacer los requisitos de carbono celular cuando no están disponibles azúcares simples como la glucosa o la fructosa. [2] En general, se supone que el ciclo está ausente en los animales, con la excepción de los nematodos en las primeras etapas de la embriogénesis. Sin embargo, en los últimos años, la detección de la malato sintasa (MS) y la isocitrato liasa (ICL), enzimas clave involucradas en el ciclo del glioxilato, en algunos tejidos animales ha planteado preguntas 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 la MS y la ICL conocidas en especies no metazoarias. [1] [3]
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 las bacterias emplean una modificación del ciclo del TCA llamada ciclo del glioxilato para producir ácido dicarboxílico de cuatro carbonos a partir de unidades de acetato de dos carbonos. 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 resultó en un artículo en Nature titulado Síntesis de constituyentes celulares a partir de unidades C 2 mediante un ciclo de ácido tricarboxílico modificado . [4]
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 difieren en que en el ciclo del glioxilato, el isocitrato se convierte en glioxilato y succinato por la isocitrato liasa (ICL) en lugar de en α-cetoglutarato. [1] Esto evita los pasos de descarboxilación que tienen lugar en el ciclo del ácido cítrico (ciclo TCA), lo que permite que se utilicen compuestos de carbono simples en la síntesis posterior de macromoléculas, incluida la glucosa. [2] El glioxilato se combina posteriormente con acetil-CoA para producir malato , catalizado por la malato sintasa. [1] El malato también se forma en paralelo a partir del succinato por la acción de la succinato deshidrogenasa y la fumarasa.
Los ácidos grasos de los lípidos son utilizados habitualmente como fuente de energía por los vertebrados, ya que 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 del 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 las plantas , los hongos y las bacterias , requieren grandes cantidades 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 entornos 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 omite los pasos del ciclo del ácido cítrico en los que se pierde carbono 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 primera enzima del ciclo del glioxilato, la isocitrato liasa , el isocitrato sufre una escisión en succinato y glioxilato (este último da al ciclo su nombre). El glioxilato se condensa con acetil-CoA (un paso catalizado por la malato sintasa ), produciendo malato . Tanto el malato como el oxaloacetato pueden convertirse en fosfoenolpiruvato , que es el producto de la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa , la primera enzima en la gluconeogénesis . El resultado neto del ciclo del glioxilato es, por tanto, la producción de glucosa a partir de ácidos grasos. El succinato generado en el primer paso puede ingresar al ciclo del ácido cítrico para eventualmente formar oxaloacetato. [2]
En las plantas, el ciclo del glioxilato se produce en unos peroxisomas especiales llamados glioxisomas . Este ciclo permite que las semillas utilicen los lípidos como fuente de energía para formar el brote durante la germinación . La semilla no puede producir biomasa mediante la fotosíntesis por falta de un órgano que realice esta función. Las reservas de lípidos de las semillas en germinación se utilizan para la formación de los carbohidratos que alimentan el crecimiento y el desarrollo del organismo.
El ciclo del glioxilato también puede proporcionar a las plantas otro aspecto de la diversidad metabólica. Este ciclo permite que las plantas absorban 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 algo de succinato se libera durante el ciclo. La molécula de succinato de cuatro carbonos se puede transformar en una variedad de carbohidratos a través de 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 . [5]
El ciclo del glioxilato puede tener una función 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 hongos que carecían de ICL también fueron significativamente menos virulentos en estudios con ratones en comparación con el tipo salvaje. El vínculo exacto entre estas dos observaciones aún se está explorando, pero se puede concluir que el ciclo del glioxilato es un factor significativo en la patogénesis de estos microbios . [6] [7]
Se creía que los vertebrados no podían 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 vertebrados, si no en todos. [8] [9] Específicamente, algunos estudios muestran evidencia de componentes del ciclo del glioxilato existentes en cantidades significativas en el tejido hepático de los pollos. Datos como estos respaldan la idea de que el ciclo podría ocurrir teóricamente incluso en los vertebrados más complejos. [10] Otros experimentos también han proporcionado evidencia de que el ciclo está presente entre ciertas especies de insectos e invertebrados marinos, así como evidencia sólida de la presencia del ciclo en especies de nematodos. Sin embargo, otros experimentos refutan esta afirmación. [11] Algunas publicaciones entran en conflicto sobre la presencia del ciclo en mamíferos : por ejemplo, un artículo ha afirmado que el ciclo del glioxilato está activo en osos que hibernan, [12] pero este informe fue cuestionado en un artículo posterior. [13] Existe evidencia de la actividad de la malato sintasa en humanos debido a una malato sintasa/B-metilmalato sintasa funcional dual de origen mitocondrial llamada CLYBL expresada en la grasa parda y el riñón. [14] La vitamina D puede regular esta vía en vertebrados. [10] [15]
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 informó de inhibidores para Candida albicans para su uso potencial como agentes antimicóticos. [16] El ciclo del glioxilato micobacteriano también se está considerando para posibles tratamientos de la tuberculosis . [17] [18]
La posibilidad de introducir en mamíferos que no poseen diversas vías metabólicas mediante ingeniería genética 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 las células de los mamíferos. Esto es de interés principalmente para los ingenieros con el fin de 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 utilizarse para sintetizar glucosa a través del ciclo, lo que permitiría aumentar la producción de lana. [19] Los mamíferos son incapaces de ejecutar la vía debido a la falta de dos enzimas, la isocitrato liasa y la 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". [1]
Para diseñar la vía en las células, los genes responsables de la codificación de las enzimas tuvieron que ser aislados y secuenciados, lo que se hizo utilizando la bacteria E. coli , de la que se secuenciaron el gen AceA, responsable de la codificación de la isocitrato liasa , y el gen AceB, responsable de la codificación de la malato sintasa. [19] Los ingenieros han podido incorporar con éxito los genes AceA y AceB en células de mamíferos en cultivo, y las células tuvieron éxito en traducir y transcribir los genes en las enzimas apropiadas, lo que demuestra que los genes podrían incorporarse con éxito al ADN de la célula sin dañar la funcionalidad o la salud de la célula. Sin embargo, poder diseñar la vía en ratones transgénicos ha demostrado ser difícil para los ingenieros. Si bien el ADN se ha expresado en algunos tejidos, incluido el hígado y el intestino delgado en animales de prueba, el nivel de expresión no es alto y no se encontró que fuera 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 correctas, como las células epiteliales . [20]
Los esfuerzos por introducir la vía en animales más complejos, como las ovejas, no han dado resultado, lo que demuestra que es necesario realizar muchas más investigaciones sobre el tema y sugiere que es posible que la química de la célula no tolere una expresión elevada del ciclo en los 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 para la integración funcional dentro del genoma antes de su transferencia a los animales. [19]
Sin embargo, la ausencia de este ciclo en las células de los mamíferos puede tener sus ventajas. El ciclo está presente en los microorganismos que causan enfermedades, pero no en los mamíferos, como los seres humanos. Existe una gran posibilidad de que se desarrollen antibióticos que ataquen al ciclo del glioxilato , lo que mataría a los microorganismos que causan enfermedades y que dependen de este ciclo para sobrevivir, pero que no dañarían a los seres humanos, donde el ciclo y, por lo tanto, las enzimas a las que se dirige el antibiótico están ausentes. [2]