乙醛酸循环

乙醛酸循环的概述

乙醛酸循环（英语：Glyoxylate cycle）又称乙醛酸途径、乙醛酸旁路，是柠檬酸循环的一种变体，是一种发生在植物、细菌、原生生物、和真菌中的合成代谢途径。乙醛酸循环的中心是乙酰辅酶A向琥珀酸的转化，以合成糖类(碳水化合物)。在微生物中，当葡萄糖或果糖等单糖不可用时，乙醛酸循环允许细胞使用两个碳（C2 化合物），如乙酸盐，以满足细胞碳需求。通常认为动物中不存在该循环，但在胚胎发生早期阶段的线虫除外。然而，近年来，在一些动物组织中检测到参与乙醛酸循环的关键酶苹果酸合酶 (Malate synthase, MS) 和异柠檬酸裂合酶 (Isocitrate lyase, ICL)，引发了关于细菌和动物体内酶的进化关系的问题，并表明动物编码循环的替代酶，其功能不同于非后生动物物种中已知的苹果酸合酶和异柠檬酸裂合酶。

植物以及一些藻类和细菌可以使用乙酸盐作为碳源来生产碳化合物。 植物和细菌采用了一种称为乙醛酸循环的柠檬酸循环的改进，以从两个乙酸碳单元产生四个碳二羧酸。 乙醛酸循环绕过了柠檬酸循环的两个氧化脱羧反应，直接通过异柠檬酸裂合酶和苹果酸合酶将异柠檬酸转化为苹果酸和琥珀酸。

乙醛酸循环由 Hans Kornberg 爵士和他的导师汉斯·阿道夫·克雷布斯 (Hans Krebs) 于1957年在牛津大学发现，并发表了一篇《自然》期刊论文《通过改进的三羧酸循环从C2单元合成细胞成分》（Synthesis of Cell Constituents from C2-Units by a Modified Tricarboxy Acid Cycle）。

与柠檬酸循环的的相似之处

乙醛酸循环使用与柠檬酸循环相关的8种酶中的5种：柠檬酸合酶、乌头酸酶、琥珀酸脱氢酶、延胡索酸酶、和苹果酸脱氢酶。这两个循环的不同之处在于，在乙醛酸循环中，异柠檬酸通过异柠檬酸裂合酶（ICL）而不是α-酮戊二酸转化为乙醛酸和琥珀酸。这绕过了在柠檬酸循环（TCA 循环）中发生的脱羧步骤，从而允许在包括葡萄糖在内的大分子的后期合成中使用简单的碳化合物。 乙醛酸随后与乙酰辅酶A结合产生苹果酸，由苹果酸合酶催化。 苹果酸也是由琥珀酸在琥珀酸脱氢酶和延胡索酸酶的作用下平行形成的。

在糖异生中的作用

来自脂质的脂肪酸通常被脊椎动物用作能源，因为脂肪酸通过β-氧化降解为乙酸盐分子。 这种与辅酶A的活性硫醇基结合的乙酸盐进入柠檬酸循环（TCA 循环），在此完全氧化为二氧化碳。 因此，该途径允许细胞从脂肪中获取能量。 为了使用脂肪中的乙酸盐进行碳水化合物的生物合成，使用乙醛酸循环，其初始反应与柠檬酸循环相同。

含有细胞壁的生物体，例如植物、真菌和细菌，在生长过程中需要非常大量的碳水化合物来生物合成复杂的结构多糖，例如纤维素、葡聚糖和几丁质。 在这些生物体中，在没有可用碳水化合物的情况下（例如，在某些微生物环境中或植物种子发芽期间），乙醛酸循环允许通过脂肪酸β-氧化中产生的乙酸盐从脂质合成葡萄糖。

乙醛酸循环绕过了柠檬酸循环中碳以CO₂ 形式损失的步骤。 乙醛酸循环的两个初始步骤与柠檬酸循环中的相同：乙酸→柠檬酸→异柠檬酸。 在下一步中，由第一个乙醛酸循环酶异柠檬酸裂合酶催化，异柠檬酸裂解为琥珀酸和乙醛酸（后者为循环命名）。乙醛酸与乙酰辅酶A缩合（由苹果酸合酶催化的一个步骤），产生苹果酸。 苹果酸和草酰乙酸都可以转化为磷酸烯醇丙酮酸，它是磷酸烯醇丙酮酸羧激酶的产物，它是糖异生中的第一个酶。 因此，乙醛酸循环的最终结果是由脂肪酸产生葡萄糖。 第一步生成的琥珀酸可进入柠檬酸循环，最终形成草酰乙酸。

反应场所和相关酶

催化乙醛酸途径的酶，既存在于线粒体，又存在于一种植物膜特有的亚细胞结构乙醛酸循环体，特别包括只存在乙醛酸循环体的两种酶，即异柠檬酸裂合酶和苹果酸合酶。

过程

乙醛酸途径开始于草酰乙酸与乙酰辅酶A的缩合。但线粒体中的草酰乙酸不能透过线粒体膜，必须在天冬氨酸氨基转移酶作用下接受谷氨酸分子的α-氨基形成天冬氨酸，才能跨越线粒体膜并进入乙醛酸循环体。在乙醛酸循环体内，天冬氨酸再经天冬氨酸氨基转移酶的作用将氨基转移到α-酮戊二酸分子上，本身形成草酰乙酸后，才能与乙酰-CoA结合形成柠檬酸。柠檬酸异构化形成异柠檬酸，与柠檬酸循环不同的是异柠檬酸不进行脱羧，而是经异柠檬酸裂合酶裂解成为琥珀酸和乙醛酸。乙醛酸与另一分子乙酰CoA在苹果酸合酶催化缩合形成苹果酸，苹果酸穿过乙醛酸循环体膜进入细胞溶胶，由苹果酸脱氢酶将其氧化为草酰乙酸。

细胞溶胶中的草酰乙酸可经糖异生转变为葡萄糖。异柠檬酸裂解产生的琥珀酸又可跨膜进入线粒体，通过与柠檬酸相同的途径形成草酰乙酸，同时将2分子NAD⁺和一分子的FAD还原。

其总反应式为：

2 乙酰-CoA + 2 NAD⁺ + FAD → 草酰乙酸 + 2 CoA-SH + 2 NADH + FADH₂ + 2 H⁺

在生物体中的功能

植物

乙醛酸循环在植物种子中有特别意义。它使萌发的种子将贮存的三酰甘油通过乙酰-CoA转变为葡萄糖。

在植物中，乙醛酸循环发生在称为乙醛糖体的特殊过氧化物酶体中。 这个循环允许种子在发芽期间使用脂质作为能量来形成枝条。 由于缺乏执行此功能的器官，种子无法利用光合作用产生生物量。 发芽种子的脂质储存用于形成碳水化合物，促进生物体的生长和发育。

病原真菌

在某些病原真菌中，乙醛酸循环可能起到完全不同的作用。 乙醛酸循环的主要酶苹果酸合酶和异柠檬酸裂合酶的水平在与人类宿主接触后大大增加。 与野生型相比，缺乏异柠檬酸裂合酶的特定真菌种类的突变体在小鼠研究中的毒力也显著降低。 这两个观察结果之间的确切联系仍在探索中，但可以得出结论，乙醛酸循环是这些微生物发病机制中的一个重要因素。

脊椎动物

脊椎动物曾被认为无法进行这个循环，因为没有证据表明它的两种关键酶，异柠檬酸裂合酶和苹果酸合酶。 然而，一些研究表明，这种途径可能存在于一些（如果不是全部）脊椎动物中 。 具体来说，一些研究表明，乙醛酸循环的成分在鸡的肝脏组织中大量存在。 诸如此类的数据支持这种循环理论上可以发生在最复杂的脊椎动物中的想法。

参见

• 三羧酸循环

参考文献

• 王镜岩. 生物化学 第3版. 2002年8月. ISBN 9787040110890.