Метаболизм ксилозы - Xylose metabolism

Ксилоза

D-Ксилоза это пятиуглеродный альдоза (пентоза, моносахарид ), которые могут катаболизироваться или метаболизироваться в полезные продукты различными организмами.

Существует по крайней мере четыре различных пути катаболизма D-ксилозы. Оксидоредуктазный путь присутствует в эукариотических микроорганизмах. Прокариоты обычно используют путь изомеразы, и два окислительных пути, называемые соответственно путями Веймберга и Дамса, также присутствуют в прокариотических микроорганизмах.

Пути

Оксидоредуктазный путь

Этот путь также называется «ксилозоредуктаза-ксилитолдегидрогеназа» или путь XR-XDH. Ксилозоредуктаза (XR) и ксилитолдегидрогеназа (XDH) - первые два фермента в этом пути. XR восстанавливает D-ксилозу до ксилит с помощью НАДН или же НАДФН. Ксилит затем окисляется до D-ксилулоза от XDH, используя кофактор НАД. На последнем этапе D-ксилулоза фосфорилируется АТФ с использованием киназы XK, что приводит к D-ксилулозо-5-фосфат который является промежуточным звеном пентозофосфатный путь Из-за различных кофакторов, необходимых на этом пути, и степени их доступности для использования, дисбаланс кофакторов может привести к накоплению промежуточных ксилит при недостаточной регенерации НАД. Это обычно происходит в условиях ограничения кислорода или когда дрожжи, ферментирующие ненативную ксилозу, сконструированы с использованием оксидоредуктазного пути. Это реже встречается у дрожжей, ферментирующих природную ксилозу, у которых есть биохимические механизмы для регенерации НАД при ограничении кислорода.

Путь изомеразы

На этом пути фермент ксилозоизомераза превращает D-ксилозу непосредственно в D-ксилулозу. Затем D-ксилулоза фосфорилируется до D-ксилулозо-5-фосфат как в оксидоредуктазном пути. При равновесии изомеразная реакция приводит к смеси 83% D-ксилозы и 17% D-ксилулозы, поскольку превращение ксилозы в ксилулозу энергетически невыгодно. [1]

Ваймбергский путь

Путь Ваймберга[2] представляет собой окислительный путь, при котором D-ксилоза окисляется до D-ксилонолактона с помощью D-ксилозодегидрогеназы с последующим лактоназа для гидролиза лактона до D-ксилоновой кислоты. Ксилонатдегидратаза отщепляет молекулу воды, что приводит к 2-кето 3-дезокси-ксилонат. Вторая дегидратаза образует полуальдегид 2-кетоглутарата, который впоследствии окисляется до 2-кетоглутарат.

Дорога Дамса

Путь Дамса[3] начинается как путь Веймберга, но 2-кето-3 дезокси-ксилонат расщепляется альдолазой на пируват и гликолевый альдегид.

Биотехнологические приложения

Желательно сбраживать D-ксилозу до этанола. Это может быть достигнуто либо с помощью дрожжей, ферментирующих ксилозу, таких как Scheffersomyces Пихиа стипит или метаболически модифицированными штаммами Saccharomyces cerevisiae. Пихиа стипит не так устойчив к этанолу, как традиционные дрожжи, производящие этанол Saccharomyces cerevisiae. С. cerevisiae с другой стороны, D-ксилоза не может сбраживаться до этанола. В попытках создать С. cerevisiae штаммы, способные ферментировать D-ксилозу XYL1 и XYL2 гены П. stipitis кодирование для D-ксилозоредуктаза (XR) и ксилитолдегидрогеназа (XDH), соответственно, были введены в S. cerevisiae с помощью генной инженерии.[4] XR катализируют образование ксилит из D-ксилозы и XDH образование D-ксилулозы из ксилита. Saccharomyces cerevisiae может естественным образом ферментировать D-ксилулозу через пентозофосфатный путь.

В другом подходе бактериальные изомеразы ксилозы были введены в С. cerevisiae. Этот фермент катализирует прямое образование D-ксилулозы из D-ксилозы. Многие попытки экспрессии бактериальных изомераз не увенчались успехом из-за неправильной укладки или других проблем, но изомераза ксилозы из анаэробного гриба Пиромицеты Sp. доказал свою эффективность.[5] Одно преимущество заявлено для С. cerevisiae Разработанный с использованием ксилозоизомеразы, полученные клетки могут расти анаэробно на ксилозе после эволюционной адаптации.

Исследования по поток через окислительный пентозофосфатный путь во время метаболизма D-ксилозы показали, что ограничение скорости этого этапа может быть полезно для эффективности ферментация к этанолу. Модификации этого флюса, которые могут улучшить производство этанола, включают удаление GND1 ген, или ZWF1 ген.[6] Поскольку пентозофосфатный путь продуцирует дополнительный НАДФН во время метаболизма, ограничение этого шага поможет скорректировать уже очевидный дисбаланс между НАД (Ф) Н и кофакторами НАД + и снизить образование побочного продукта ксилита.

Другой эксперимент, сравнивающий два пути метаболизма D-ксилозы, показал, что путь XI лучше всего способен метаболизировать D-ксилозу для получения наибольшего выхода этанола, в то время как путь XR-XDH достиг гораздо большей скорости метаболизма. этиловый спирт производство.[7]

Сверхэкспрессия четырех генов, кодирующих неокислительные пентозофосфатный путь ферменты Трансальдолаза, Транскетолаза, Рибулозо-5-фосфатэпимераза и Рибозо-5-фосфаткетол-изомераза[8] привел к как высшим D-ксилулоза[9] и D-ксилоза [10] скорость брожения.

Целью этой генетической рекомбинации в лаборатории является разработка дрожжи штамм, который эффективно производит этанол. Однако эффективность лабораторных штаммов, метаболизирующих D-ксилозу, не всегда отражает их способность метаболизма к сырым продуктам ксилозы в природе. Поскольку D-ксилоза в основном выделяется из сельскохозяйственных остатков, таких как древесные отходы, нативные или генетически измененные дрожжи должны эффективно метаболизировать эти менее чистые природные источники.

Различные уровни экспрессии ферментов XR и XDH были протестированы в лаборатории в попытке оптимизировать эффективность пути метаболизма D-ксилозы.[11]

Рекомендации

  1. ^ Hochster, R.M .; Уотсон, Р. У. (1954-01-01). «Ферментативная изомеризация d-ксилозы в d-ксилулозу». Архивы биохимии и биофизики. 48 (1): 120–129. Дои:10.1016/0003-9861(54)90313-6. ISSN  0003-9861. PMID  13125579.
  2. ^ Веймберг Р. (1961). «Пентозное окисление Pseudomonas fragi». J. Biol. Chem. 236: 629–636. PMID  13783864.
  3. ^ Дамс А.С. (1974). «Альдолаза 3-дезокси-D-пентулозоновой кислоты и ее роль в новом пути деградации D-ксилозы». Biochem Biophys Res Commun. 60 (4): 1433–1439. Дои:10.1016 / 0006-291X (74) 90358-1. PMID  4423285.
  4. ^ Элиассон А., Кристенсон С., Уолбом С.Ф., Хан-Хэгердал Б. (август 2000 г.). "Анаэробная ферментация ксилозы рекомбинантным Saccharomyces cerevisiae несущий XYL1, XYL2, и XKS1 в хемостатных культурах на минеральной среде ». Appl. Environ. Микробиол. 66 (8): 3381–6. Дои:10.1128 / aem.66.8.3381-3386.2000. ЧВК  92159. PMID  10919795.
  5. ^ Kuyper et al. Высокий уровень функциональной экспрессии грибковой ксилозоизомеразы: ключ к эффективной этанольной ферментации ксилозы с помощью Saccharomyces cerevisiae? ;; FEMS Yeast Res. ;; 2003 Oct; 4 (1) 69-78.
  6. ^ Jeppsson et al. (2002). «Сниженный поток окислительного пентозофосфатного пути в рекомбинантных штаммах Saccharomyces cerevisiae, использующих ксилозу, улучшает выход этанола из ксилозы». Прикладная и экологическая микробиология. 68 (4): 1604–9. Дои:10.1128 / AEM.68.4.1604-1609.2002. ЧВК  123863. PMID  11916674.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  7. ^ Karhumaa et al. (2007). «Сравнение ксилозоредуктазо-ксилитолдегидрогеназы и ксилозоизомеразных путей для ферментации ксилозы рекомбинантными Saccharomyces cerevisiae». Фабрики микробных клеток. 6: 5. Дои:10.1186/1475-2859-6-5. ЧВК  1797182. PMID  17280608.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  8. ^ Йоханссон Б., Хан-Хэгердал Б. (февраль 2002 г.). «Избыточное производство ферментов пентозофосфатного пути с использованием нового вектора экспрессии CRE-loxP для повторной геномной интеграции в Saccharomyces cerevisiae». Дрожжи. 19 (3): 225–31. Дои:10.1002 / год 833. PMID  11816030.
  9. ^ Йоханссон Б., Хан-Хэгердал Б. (август 2002 г.). «Неокислительный пентозофосфатный путь контролирует скорость ферментации ксилулозы, но не ксилозы в Saccharomyces cerevisiae TMB3001». FEMS дрожжи Res. 2 (3): 277–82. Дои:10.1111 / j.1567-1364.2002.tb00095.x. PMID  12702276.
  10. ^ Кархумаа К., Хан-Хэгердал Б., Горва-Грауслунд М.Ф. (апрель 2005 г.). «Исследование ограничивающих метаболических этапов использования ксилозы рекомбинантными Saccharomyces cerevisiae с использованием метаболической инженерии». Дрожжи. 22 (5): 359–68. Дои:10.1002 / год.1216. PMID  15806613.
  11. ^ Вальфридссон М., Андерлунд М., Бао Х, Хан-Хэгердал Б. (август 1997 г.). «Экспрессия различных уровней ферментов из генов XYL1 и XYL2 Pichia stipitis в Saccharomyces cerevisiae и ее влияние на образование продукта во время использования ксилозы». Appl. Microbiol. Биотехнология. 48 (2): 218–24. Дои:10.1007 / s002530051041. PMID  9299780. S2CID  19491471.