Cesta Wood-Ljungdal

Wood-Ljungdalova dráha , reduktivní acetyl-CoA dráha [1] je metabolická dráha, která je sérií biochemických reakcí využívaných některými anaerobními chemolitoautotrofními bakteriemi ( acetogeny v procesu acetogeneze ) a archaea - methanogeny v procesu ( methanogeneze ) k fixaci CO 2 a získání energie . Tato cesta umožňuje organismům využívat vodík jako donor elektronů a oxid uhličitý  jako akceptor a stavební kámen pro biosyntézu organických molekul.

Tato dráha popisuje autotrofní produkci molekuly acetyl-CoA ze dvou molekul CO 2 pomocí koenzymů a enzymů s centry obsahujícími kovy jako akceptory CO 2 [2] [3] [4] [5] . Celková reakce Wood-Ljungdalovy cesty: probíhá s uvolněním energie ΔG 0' = -59,2 kJ / mol [6] . Tato energie je dostatečná k pumpování páru iontů přes membránu a vytvoření elektrochemického gradientu, ale nestačí k fosforylaci substrátu [7] .

Dvě molekuly CO2 jsou redukovány nezávisle na sobě v různých (karbonylových a methylových) větvích Wood-Ljungdalovy dráhy. Methylová větev zahrnuje sled reakcí, které vedou k redukci C02 na methylovou skupinu -CH3 . Methylová skupina je vázána tetrahydrofolátem (FH 4 ) v bakteriích a metanofuranem (MFR) a tetrahydromethanopterinem (H 4 MPT) v archaea jako nosnými koenzymy. Karbonylová část dráhy zahrnuje redukci druhé molekuly CO2 na karbonylovou skupinu (-CO) navázanou na enzym CO-dehydrogenázukterý tuto reakci katalyzuje. Methylová skupina se pak spojí s karbonylovou skupinou a koenzymem A za vzniku molekuly acetyl-CoA. Podílí se na tom speciální enzym: acetyl-CoA syntetáza[1] [8] . V mikroorganismech mohou být reprezentovány jako dva samostatné enzymy nebo jako bifunkční enzymový komplex, který kombinuje obě tyto aktivity. Klíčový enzym této dráhy (CO-dehydrogenáza/acetyl-CoA syntáza) může tvořit významnou část celkového rozpustného buněčného proteinu (např. 6 až 9 % u Moorella thermoacetica ) [9] . CO-dehydrogenáza/acetyl-CoA syntáza má společný původ u všech prokaryot využívajících tuto dráhu [10] .

Charakteristickým rysem této dráhy je produkce velkého množství kyseliny octové jako vedlejšího produktu, který se nevyužívá a je vylučován z buňky ven. .

Historie objevů

Tato dráha byla pojmenována po dvou badatelích, Harlandu G. Woodovi a Larsi G. Ljungdahlovi, kteří objevili většinu enzymologických vlastností modelové acetogenní bakterie Moorella thermoacetica . Později byla přeřazena pod název Clostridium thermoaceticum [11] .

Prevalence

Wood-Ljungdalova dráha se vyskytuje pouze u prokaryot , např. u hydrogenotrofních metanogenních archeí [12] a homoacetogenních bakterií , jako jsou klostridie [13] , amonium-oxidující planktomycety [14] , některé bakterie redukující sírany Desulfobacterium sp. , Deltaproteobacteria [15] a autotrofní archaea Archaeoglobales ( Euryarchaeota ) [16] [17] . Tato cesta je tedy přítomna pouze u striktních anaerobů. To je způsobeno vysokou citlivostí enzymů této dráhy a jejich kofaktorů na kyslík. Je to dáno také vysokou poptávkou po kovových iontech (Mo, resp. W, Co, Ni a Fe), které jsou ve vodě v rozpuštěném stavu, převážně v nízkém oxidačním stavu (tj. za anaerobních podmínek bez přístupu k kyslík). Omezení dostupnosti kovů, kofaktorů a citlivosti na kyslík tedy určují použití této cesty v omezeném počtu ekologických nik, navzdory její energetické účinnosti.

Reduktivní acetyl-CoA dráha funguje u psychrofilů stejně dobře jako u hypertermofilů . Jeho fungování je známé při teplotách, které jsou nejvyšší možné pro reprodukci buněk ( Methanopyrus kanddlery ; 122°C) [18] .

Variace

Přestože je celkové schéma dráhy konzervativní, u archeí a bakterií se používají různé C1 přenašeče, kofaktory, elektronové přenašeče a enzymy [19] Je známo mnoho variant této dráhy.

  1. Například v počáteční fázi se může vytvořit volný formiát nebo CO nebo formylová skupina spojená s koenzymem.
  2. Tetrahydrofolát nebo tetrahydromethanopterin se používají jako různé koenzymy přenosu C1. Jak CO 2 , tak různé exogenní C1 sloučeniny (CO, formiát, formaldehyd, methanol) nebo sloučeniny obsahující methylovou skupinu připojenou přes atom O, N nebo S (methylamin, methylmerkaptan a jednoduché a komplexní O-aromatické estery). V tomto případě dochází k demethylaci takových methylesterů závislé na tetrahydrofolátu, při které se uvolní alkohol R-OH a methylová skupina se přenese na protein a poté na kyselinu tetrahydrolistovou. Použití takových sloučenin vyžaduje některé další enzymy, jako jsou specifické methyltransferázy.
  3. Jako donor elektronů pro obnovu lze použít NADH, NADPH, ferredoxin, faktor F 420 nebo H2 .

Tyto rozdíly v typu kofaktoru, který se liší mezi enzymy a mikrobiálními druhy, umožňují vysvětlit některé rozdíly pozorované v produktivitě a rychlosti růstu.

Reverzní (oxidační) cesta acetyl-CoA

Všechny reakce redukční acetyl-CoA dráhy jsou reverzibilní. Wood-Ljungdahlova cesta se v metabolismu používá obráceně:

  1. bakterie redukující sírany . V tomto případě jsou elektrony odebrané z organických molekul přenášeny přes acetyl-CoA na NADH, acetyl-CoA je oxidován na CO 2 [20] .
  2. Homoacetogeny [13] .
  3. S rozkladem acetátu na CO 2 a CH 4 v acetoklastických methanogenních bakteriích.
  4. V anaerobních methylotrofech s použitím methylesterů.
  5. Syntrofní bakterie Clostridium ultunece a Thermoacetogenium phaeum oxidují acetát na CO 2 a H 2 ve spojení s konzumací sulfidogenů nebo methanogenů. Oxidace acetátu na CO 2 a H 2 je endergonická reakce (∆G 0' =+107,1 kJ/mol acetátu) a její výskyt je možný při velmi nízkém parciálním tlaku vodíku. To je možné, když partner v syntrofickém páru spotřebovává vodík vzniklý během oxidace acetátu.

Rozdíly od jiných cest fixace uhlíku

  1. Na rozdíl od reverzního Krebsova cyklu a Calvinova cyklu je reduktivní acetyl-CoA dráha lineární a necyklická.
  1. Na rozdíl od jiných cest fixace uhlíku lze Wood-Ljungdahlovu cestu obrátit a získat redukční ekvivalenty z organických sloučenin během organo-heterotrofního růstu [21] [15] [22]
  1. Na rozdíl od jiných uhlíkových fixačních drah lze Wood-Ljungdahlovu redukční dráhu využít nejen k fixaci, ale také k akumulaci energie, prostřednictvím tvorby vodíkového [23] nebo sodíkového elektrochemického gradientu přes membránu [24] [4]. [25] [26] [27] [28] . Vytvořený gradient je spotřebován ATPázou pro syntézu ATP z ADP a fosfátu [29] .

Evoluční význam

V současné době se aktivně diskutuje o hypotézách, že prvními živými organismy na Zemi byly chemolitoautotrofy schopné syntetizovat všechny nebo většinu svých organických sloučenin z CO 2 pomocí H 2 nebo jiného anorganického donoru elektronů jako redukčního činidla [30] . Metanogeny využívající tuto cestu (nebo předchůdci metanogenů) mohou být prvními autotrofními organismy [31] [32] . Vzhledem k tomu, že život vznikl v anoxygenních podmínkách, může být cesta acetyl-CoA nebo velmi podobná cesta prvním procesem použitým pro autotrofní fixaci CO2 [33] [34] . Nedávné studie genomů řady bakterií a archaea naznačují, že poslední univerzální společný předek (LUCA) používal Wood-Ljungdahlovu cestu v hydrotermálních průduchech [35] . Fylogenetické rekonstrukce [36] i chemické experimenty naznačují, že tato dráha mohla být použita ještě před vznikem života [37] . Není jasné, zda původní účel použití této cesty byl pro asimilaci uhlíku (redukce a fixace uhlíku ) nebo pro oxidaci acetátu. Fylogenetická studie acetyl-CoA syntetázy ukazuje, že mikroorganismy (acetogeny a methanogeny), které mají tento enzym nebo enzymy s ním blízce příbuzné, mají společného předka [38] .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ 12 Stephen W. Ragsdale . Kovy a jejich lešení k podpoře obtížných enzymatických reakcí  (anglicky)  // Chemical Reviews: journal. - 2006. - Sv. 106 , č. 8 . - str. 3317-3337 . - doi : 10.1021/cr0503153 .
  2. ↑ Ljungdahl, LC Autotrofní cesta syntézy acetátu u acetogenních bakterií   // Annu . Rev. microbiol. : časopis. - 1986. - Sv. 40 . - S. 415-450 .
  3. ↑ Ragsdale, SW Enzymologie Wood-Ljungdahlovy dráhy acetogeneze. (anglicky)  // Ann. NY Acad. sci. : časopis. - 2008. - Sv. 1125 . — S. 129-136 .
  4. ↑ 1 2 Ragsdale, SW a Pierce, E. Acetogeneze a Wood-Ljungdahlova cesta fixace CO2. (anglicky)  // Biochim. Biophys. Acta: časopis. - 2008. - Sv. 1784 . — S. 1873-1898 .
  5. ↑ Dřevo, HG Život s CO nebo CO2 a H2 jako zdroje uhlíku a energie. (anglicky)  // FASEB J. : journal. - 1991. - Sv. 5 . — S. 156-163 .
  6. ↑ Fuchs, G. Variace acetyl-CoA dráhy u různě příbuzných mikroorganismů, které nejsou acetogeny  // Acetogenesis (  Drake, G., Ed.): kniha. - 1994. - S. 506-538 Chapman a Hall, New York .
  7. ↑ Thauer, R. K. , Jungermann, K. a Decker, K. Energy-conservation in chemotrophic anaerobní baktérie. (anglicky)  // Bacteriol. Rev. : časopis. - 1977. - Sv. 41 . — S. 100-180 .
  8. ↑ Paul A. Lindahl.  Nikl-uhlíkové vazby v acetyl-koenzym A syntázach / oxid uhelnatý dehydrogenázy  // Ionty kovů ve vědách o živé přírodě : sbírka / komp. Sigel A. , Sigel H. , Sigel RK O. - Royal Society of Chemistry, 2009. - 4. února ( vol. 6 ). - S. 133-150 . - ISBN 978-1-84755-915-9 . doi : 10.1039 / 9781847559333-00133 . — PMID 20877794 .
  9. ↑ Roberts, JR , W.-P. Lu a Ragsdale, SW Syntéza acetyl-koenzymu A z methyltetrahydrofolátu, CO a koenzymu A pomocí enzymů purifikovaných z Clostridium thermoaceticum : dosažení in vivo rychlostí a identifikace kroků omezujících rychlost.  (anglicky)  // J. Bacteriol. : časopis. - 1992. - Sv. 174 . — S. 4667-4676 .
  10. ↑ Ragsdale, SW a Kumar, M .,. Oxid uhelnatý dehydrogenáza/acetyl-CoA syntáza obsahující nikl. (anglicky)  // Chem. Rev. : časopis. - 1996. - Sv. 96 . — S. 2515-2539 .
  11. ↑ Collins, MD , Lawson, PA , Cordoba, JJ , Fernandez-Garayzabal, J. , Garsia, P. , Cai, J. , Hippe, H. , Farrow, JAE Fylogeneze rodu Clostridium: návrh pěti nových rodů a jedenáct nových kombinací druhů. (anglicky)  // Int J Syst Bacteriol : journal. - 1994. - Sv. 44 . — S. 812-826 .
  12. ↑ Matschiavelli N. , Oelgeschläger E. , Cocchiararo B. , Finke J. , Rother M. Funkce a regulace izoforem dehydrogenázy oxidu uhelnatého/Acetylkoenzym A syntázy v Methanosarcina acetivorans  (anglicky)  // Journal of Bacteriology: journal - 2012. - Sv. 194 , č. 19 . - str. 5377-5387 . - doi : 10.1128/JB.00881-12 . — PMID 22865842 .
  13. ↑ 1 2 Jansen, K. , Stupperich, E. , Fuchs, G. Syntéza sacharidů z acetyl CoA v autotrofu Methanobacterium thermoautotrophicum  (anglicky)  // Archives of Microbiology : journal. - 1982. - Sv. 132 , č.p. 4 . - S. 355-364 .
  14. ↑ Strous, M. , et al. Dešifrování evoluce a metabolismu bakterie anammox z komunitního genomu. (anglicky)  // Nature : journal. - 2006. - Sv. 440 . — S. 790-794 .
  15. ↑ 1 2 Schauder, R. , Preuß, A. , Jetten, M. , Fuchs, G. Oxidační a reduktivní dráha acetyl CoA/oxid dehydrogenázy u Desulfobacterium autotrophicum – 2. Demonstrace enzymů dráhy a srovnání dehydrogenázy CO . (anglicky)  // Arch. microbiol. : časopis. - 1989. - Sv. 151 . - str. 84-89 . - doi : 10.1007/BF00444674 .
  16. ↑ Vorholt, JA , Hafenbradl , D. , Stetter, KO a Thauer, RK Cesty autotrofní fixace CO2 a disimilační redukce dusičnanů na N2O u Ferroglobus placidus. (anglicky)  // Arch. microbiol. : časopis. - 1997. - Sv. 167 . - str. 19-23 .
  17. ↑ Vorholt, JA , Kunow, J. , Stetter, KO a Thauer, RK Enzymy a koenzymy dráhy oxid uhelnaté dehydrogenázy pro autotrofní fixaci CO2 v Archaeoglobus lithotrophicus a nedostatek oxid dehydrogenázy u heterotrofního A. profundus.  (anglicky)  // Arch. microbiol. : časopis. - 1995. - Sv. 163 . - str. 112-118 .
  18. ↑ Takai, K. , et al. Buněčná proliferace při 122 stupních C a izotopicky těžká produkce CH4 hypertermofilním methanogenem při vysokotlaké kultivaci. (anglicky)  // Proc. Natl. Akad. sci. USA: časopis. - 2008. - Sv. 105 . - S. 10949-10954 .
  19. ↑ Fuchs, G. Alternativní cesty fixace oxidu uhličitého: pohledy do rané evoluce života?  (anglicky)  // Annu. Rev. microbiol. : časopis. - 2011. - Sv. 65 . — S. 631-658 . - doi : 10.1146/annurev-micro-090110-102801 .
  20. ↑ Rabus, R. , Hansen, T.A. , Widdel , F. Disimilatory Sulfate- and Sulfur-reduction prokaryota   // Prokaryotes: Journal. - 2006. - Sv. 2 . - str. 659-768 .
  21. ↑ Vorholt, J. , Kunov , J. , Stetter, K.O., Thauer, R.K.  (anglicky)  // Arch. microbiol. : časopis. - 1995. - Sv. 163 . - str. 112-118 . - doi : 10.1007/BF00381784 .
  22. ↑ Hattori, S. , Galushko, AS , Kamagata, Y. , Schink , B. Fungování dráhy CO dehydrogenázy/acetyl koenzymu A při oxidaci acetátu i tvorbě acetátu syntroficky acetát-oxidující bakterií Thermacetogenium phaeum.  (anglicky)  // J. Bacteriol. : časopis. - 2005. - Sv. 187 . - str. 3471-3476 . - doi : 10.1128/JB.187.10.3471-3476.2005 .
  23. ↑ Ljungdahl, LG Dráha acetyl-CoA a chemiosmotická tvorba ATP během acetogeneze. (eng.)  // Drake HL (ed) Acetogenesis. Chapman a Hall, New York. - 1994. - S. 63-87 .
  24. ↑ Biegel, E. a Müller, V. ,. Bakteriální Na+-translokující ferredoxin:NAD+ oxidoreduktáza  (anglicky)  // Proc. Natl. Akad. sci. USA: časopis. - 2010. - Sv. 107 . - S. 18138-18142 .
  25. ↑ Thauer , R. K. , Kaster, A. K. , Seedorf, H. , Buckel, W. a Hedderich, R. Methanogenic archaea: ekologicky relevantní rozdíly v uchovávání energie. (anglicky)  // Nat. Rev. microbiol. : časopis. - 2008. - Sv. 6 . - str. 579-591 .
  26. ↑ Müller, V. , Gottschalk, G. Cyklus sodíkových iontů u acetogenních a methanogenních bakterií: tvorba a využití primárního elektrochemického gradientu sodíkových iontů   // Drake HL (ed) Acetogenesis . Chapman a Hall, New York. - 1994. - S. 127-156 .
  27. ↑ Müller, V. , Aufurth, S. , Rahlfs, S. Na+-cyklus v Acetobacterium woodii: identifikace a charakterizace Na+-translokující F1F0-ATPázy se smíšeným oligomerem 8 a 16-kDa proteolipidů. (anglicky)  // Biochim Biophys Acta: journal. - 2001. - Ne. 1505 . — S. 108-120 .
  28. ↑ Spruth, M. , Reidlinger, J. , Müller, V. Závislost inhibice Na+-translokující F1F0-ATPázy z Acetobacterium woodii na sodíkových iontech: sondování místa (míst) zapojených do transportu iontů. (anglicky)  // Biochim Biophys Acta: journal. — 1995. — Ne. 1229 . - S. 96-102 .
  29. ↑ Müller, V. Úspora energie u acetogenních bakterií   // Appl . Environ. microbiol. : časopis. - 2003. - Sv. 69 . — S. 6345-6353 . - doi : 10.1128/AEM.69.11.6345-6353.2003 .
  30. ↑ Sousa, FL , Thiergart, T. , Landan, G. , Nelson-Sathi, S. , Pereira, IAC , Allen, JF , et al. Raná bioenergetická evoluce. (anglicky)  // Philos.Trans. R. Soc. Londýn. B Biol. Sci: deník. - 2013. - Sv. 368 . — S. 1-30 . - doi : 10.1098/rstb.2013.0088 .
  31. ↑ Schopf, JW , Hayes, JM , Walter, MR Evoluce nejstarších ekosystémů Země: nedávný pokrok a nevyřešené problémy. (eng.)  // Schopf JW (ed) Nejranější biosféra Země. Princeton University Press, Princeton. - 1983. - S. 361-384 .
  32. ↑ Brock, TD Evoluční vztahy autotrofních bakterií. (anglicky)  // Schlegel HG, Bowien B (eds.) Autotrofní bakterie. Science Tech, Madison. - 1989. - S. 499-512 .
  33. ↑ Dřevo, HG , Ljungdahl, LG Autotrofní charakter acetogenních bakterií. (angl.)  // Shively JM, Barton LL (eds.) Variace v autotrofním životě. Akademik, San Diego. - 1991. - S. 201-250 .
  34. ↑ Lindahl, PA , Chang, B. Evoluce acetyl-CoA syntázy. (anglicky)  // Orig Life Evol Biosph. - 2001. - Ne. 31 . - str. 403-434 .
  35. ↑ MC Weiss , et al. Fyziologie a stanoviště posledního univerzálního společného předka  //  Nature Microbiology: Journal. - 2016. - Sv. 16116 , č.p. 1 . doi : 10.1038 / nmikrobiol.2016.116. . — PMID 27562259 .
  36. ↑ Braakman, Rogier , Smith, Eric. Vznik a raná evoluce biologické fixace uhlíku  (anglicky)  // PLOS Computational Biology: Journal. — 2012-04-19. — Sv. 8 , č. 4 . — P. e1002455 . — ISSN 1553-7358. . - doi : 10.1371/journal.pcbi.1002455 .
  37. ↑ Varma, Sreejith J. , Muchowska, Kamila B. , Chatelain, Paul , Moran, Joseph. Nativní železo redukuje CO2 na meziprodukty a konečné produkty dráhy acetyl-CoA  //  Nature Ecology & Evolution : journal. — 2018-04-23. — ISSN 2397-334X. . - doi : 10.1038/s41559-018-0542-2. .
  38. ↑ Lindahl, PA , Chang, B. Evoluce acetyl-CoA syntázy. (anglicky)  // Orig Life Evol Biosph: journal. - 2001. - Ne. 31 . - str. 403-434 .

Literatura