Skov-Ljungdal stien

Wood-Ljungdal- vejen , den reduktive acetyl-CoA-vej [1] er en metabolisk vej, der er en række biokemiske reaktioner, der bruges af nogle anaerobe kemolitoautotrofe bakterier ( acetogener i processen med acetogenese ) og arkæa - methanogener i processen ( methanogenese ) at fiksere CO 2 og få energi . Denne vej tillader organismer at bruge brint som elektrondonor og kuldioxid  som acceptor og byggesten til biosyntesen af ​​organiske molekyler.

Denne vej beskriver den autotrofe produktion af et acetyl-CoA molekyle fra to CO 2 molekyler ved hjælp af coenzymer og enzymer med metalholdige centre som CO 2 acceptorer [2] [3] [4] [5] . Den samlede reaktion af Wood-Ljungdal-banen: går med frigivelsen af ​​energi ΔG 0' = -59,2 kJ/mol [6] . Denne energi er tilstrækkelig til at pumpe et par ioner hen over membranen og skabe en elektrokemisk gradient, men ikke nok til substratphosphorylering [7] .

To CO2-molekyler reduceres uafhængigt af hinanden i forskellige (carbonyl og methyl) grene af Wood-Ljungdal-vejen. Methylgrenen omfatter en sekvens af reaktioner, der fører til reduktion af CO 2 til methylgruppen -CH 3 . Methylgruppen er bundet af tetrahydrofolat (FH 4 ) i bakterier og af methanofuran (MFR) og tetrahydromethanopterin (H 4 MPT) i archaea som bærer-coenzymer. Carbonyldelen af ​​vejen involverer reduktion af det andet CO2-molekyle til en carbonylgruppe (-CO) bundet til enzymet CO-dehydrogenaseder katalyserer denne reaktion. Methylgruppen kombineres derefter med en carbonylgruppe og coenzym A for at danne et acetyl-CoA-molekyle. Et særligt enzym er involveret i dette: acetyl-CoA-syntetase[1] [8] . I mikroorganismer kan de repræsenteres som to separate enzymer eller som et bifunktionelt enzymkompleks, der kombinerer begge disse aktiviteter. Nøgleenzymet i vejen (CO-dehydrogenase/acetyl-CoA-syntase) kan udgøre en betydelig del af det samlede opløselige cellulære protein (f.eks. 6 til 9% i Moorella thermoacetica ) [9] . CO-dehydrogenase/acetyl-CoA-syntase har en fælles oprindelse i alle prokaryoter, der bruger denne vej [10] .

Et træk ved denne vej er produktionen af ​​en stor mængde eddikesyre som et biprodukt, som ikke bruges og udskilles fra cellen til ydersiden. .

Opdagelseshistorie

Denne vej blev opkaldt efter to forskere, Harland G. Wood og Lars G. Ljungdahl, som opdagede de fleste af de enzymologiske egenskaber ved modelacetogene bakterien Moorella thermoacetica . Senere blev det omklassificeret under navnet Clostridium thermoaceticum [11] .

Prævalens

Wood-Ljungdal-vejen forekommer kun i prokaryoter , for eksempel i hydrogenotrofe methanogene archaea [12] og homoacetogene bakterier såsom clostridia [13] , ammoniumoxiderende planctomycetes [14] , nogle sulfatreducerende bakterier Desulfobacterium sp. , Deltaproteobacteria [15] og autotrofiske archaea Archaeoglobales ( Euryarchaeota ) [16] [17] . Således er denne vej kun til stede i strenge anaerober. Dette skyldes den høje følsomhed af enzymerne i denne vej og deres cofaktorer over for ilt. Dette skyldes også den høje efterspørgsel efter metalioner (Mo eller W, Co, Ni og Fe), som er i opløst tilstand i vand, hovedsageligt i lav oxidationstilstand (det vil sige under anaerobe forhold uden adgang til ilt). Således bestemmer restriktioner på tilgængeligheden af ​​metaller, cofaktorer og iltfølsomhed brugen af ​​denne vej i et begrænset antal økologiske nicher på trods af dens energieffektivitet.

Den reduktive acetyl-CoA-vej fungerer lige så godt hos psykrofiler som hos hypertermofiler . Dens funktion er kendt ved temperaturer, der er den højest mulige for celle-reproduktion ( Methanopyrus kandlery ; 122°C) [18] .

Variationer

Selvom det overordnede skema af vejen er konservativt, bruges forskellige C1-bærere, cofaktorer, elektronbærere og enzymer i arkæer og bakterier [19] Mange varianter af denne vej er kendt.

  1. For eksempel kan der i det indledende trin dannes frit formiat eller CO eller en formylgruppe forbundet med coenzymet.
  2. Tetrahydrofolat eller tetrahydromethanopterin bruges som forskellige C1-overførselscoenzymer. Både CO 2 og forskellige eksogene C1-forbindelser (CO, formiat, formaldehyd, methanol) eller forbindelser indeholdende en methylgruppe bundet gennem O-, N- eller S-atomet (methylamin, methylmercaptan og simple og komplekse O-aromatiske estere). I dette tilfælde forekommer tetrahydrofolatafhængig demethylering af sådanne methylestere, hvor alkoholen R-OH frigives, og methylgruppen overføres til proteinet og derefter til tetrahydrofolinsyre. Anvendelsen af ​​sådanne forbindelser kræver nogle yderligere enzymer, såsom specifikke methyltransferaser.
  3. Som elektrondonor til genvinding kan NADH, NADPH, ferredoxin, faktor F 420 eller H 2 anvendes .

Disse forskelle i typen af ​​cofaktor, der adskiller sig mellem enzymer og mikrobielle arter, gør det muligt at forklare nogle af de observerede forskelle i produktivitet og væksthastighed.

Omvendt (oxidativ) acetyl-CoA-vej

Alle reaktioner af den reduktive acetyl-CoA-vej er reversible. Wood-Ljungdahl-vejen bruges omvendt i stofskiftet:

  1. sulfatreducerende bakterier. I dette tilfælde overføres elektroner taget fra organiske molekyler via acetyl-CoA til NADH, acetyl-CoA oxideres til CO 2 [20] .
  2. Homoacetogener [13] .
  3. Med nedbrydning af acetat til CO 2 og CH 4 i acetoklastiske metanogene bakterier.
  4. I anaerobe methylotrofer ved anvendelse af methylestere.
  5. De syntrofiske bakterier Clostridium ultunece og Thermoacetogenium phaeum oxiderer acetat til CO 2 og H 2 i forbindelse med indtagelse af sulfidogener eller methanogener. Oxidation af acetat til CO 2 og H 2 er en endergonisk reaktion (∆G 0' =+107,1 kJ/mol acetat), og dens forekomst er mulig ved et meget lavt partialtryk af brint. Dette bliver muligt, når partneren i det syntrofiske par forbruger det hydrogen, der dannes under oxidationen af ​​acetat.

Forskelle fra andre kulstoffikseringsveje

  1. I modsætning til den omvendte Krebs -cyklus og Calvin-cyklussen er den reduktive acetyl-CoA-vej lineær og ikke-cyklisk.
  1. I modsætning til andre kulstoffikseringsveje kan Wood-Ljungdahl-vejen vendes for at opnå reducerende ækvivalenter fra organiske forbindelser under organo-heterotrof vækst [21] [15] [22]
  1. I modsætning til andre kulstoffikseringsveje kan den Wood-Ljungdahl reduktive vej ikke kun bruges til fiksering, men også til energilagring gennem dannelsen af ​​en hydrogen [23] eller natrium elektrokemisk gradient over membranen [24] [4] [25] [26] [27] [28] . Den skabte gradient forbruges af ATPase til syntese af ATP fra ADP og fosfat [29] .

Evolutionær betydning

Hypoteser diskuteres i øjeblikket aktivt om, at de første levende organismer på jorden var chemolithoautotrofer , der var i stand til at syntetisere alle eller de fleste af deres organiske forbindelser fra CO 2 ved hjælp af H 2 eller en anden uorganisk elektrondonor som et reduktionsmiddel [30] . Methanogener, der bruger denne vej (eller forfædre til methanogener) kan have været de første autotrofe organismer [31] [32] . Da livet opstod under anoxygene forhold, kan acetyl-CoA-vejen, eller en meget lignende, være den første proces, der anvendes til autotrofisk CO2-fiksering [33] [34] . Nylige undersøgelser af genomerne af en række bakterier og arkæer tyder på, at den sidste universelle fælles forfader (LUCA) brugte Wood-Ljungdahl-vejen i hydrotermiske åbninger [35] . Fylogenetiske rekonstruktioner [36] såvel som kemiske eksperimenter tyder på, at denne vej kunne have været brugt selv før livets fremkomst [37] . Det er ikke klart, om det oprindelige formål med at bruge denne vej var til kulstofassimilering (reduktion og kulstoffiksering ) eller i oxidation af acetat. En fylogenetisk undersøgelse af acetyl-CoA-syntetase viser, at mikroorganismer (acetogener og methanogener), som har dette enzym eller enzymer, der er tæt beslægtet med det, har en fælles forfader [38] .

Se også

Noter

  1. ↑ 12 Stephen W. Ragsdale . Metaller og deres stilladser til at fremme vanskelige enzymatiske reaktioner  (engelsk)  // Chemical Reviews : journal. - 2006. - Bd. 106 , nr. 8 . - s. 3317-3337 . - doi : 10.1021/cr0503153 .
  2. ↑ Ljungdahl, LC Den autotrofe vej for acetatsyntese i acetogene bakterier   // Annu . Rev. mikrobiol. : magasin. - 1986. - Bd. 40 . - S. 415-450 .
  3. ↑ Ragsdale, SW Enzymology of the Wood-Ljungdahl pathway of acetogenesis. (engelsk)  // Ann. NY Acad. sci. : magasin. - 2008. - Bd. 1125 . — S. 129-136 .
  4. ↑ 1 2 Ragsdale, SW og Pierce, E. Acetogenesis and the Wood-Ljungdahl pathway of CO2 fixation. (engelsk)  // Biochim. Biofys. Acta: magasin. - 2008. - Bd. 1784 . — S. 1873-1898 .
  5. ↑ Træ, HG Life med CO eller CO2 og H2 som kulstof- og energikilde. (engelsk)  // FASEB J. : tidsskrift. - 1991. - Bd. 5 . — S. 156-163 .
  6. ↑ Fuchs, G. Variation af acetyl-CoA-vejen i forskelligartet beslægtede mikroorganismer, der ikke er acetogener  // Acetogenesis (  Drake, G., red.): bog. - 1994. - S. 506-538 Chapman og Hall, New York .
  7. ↑ Thauer, R.K. , Jungermann, K. , og Decker, K. Energy-conservation in chemotrophic anaerobic bacteria. (engelsk)  // Bacteriol. Rev. : magasin. - 1977. - Bd. 41 . — S. 100-180 .
  8. ↑ Paul A. Lindahl.  Nikkel-kulstofbindinger i acetyl-coenzym A-syntaser / kulmonoxiddehydrogenaser  // metalioner i biovidenskab : samling / komp. Sigel A. , Sigel H. , Sigel RK O. - Royal Society of Chemistry, 2009. - 4. februar ( bind 6 ). - S. 133-150 . - ISBN 978-1-84755-915-9 . doi : 10.1039 / 9781847559333-00133 . — PMID 20877794 .
  9. ↑ Roberts, JR , W.-P. Lu og Ragsdale, SW Acetyl-coenzym A-syntese fra methyltetrahydrofolat, CO og coenzym A ved enzymer oprenset fra Clostridium thermoaceticum : opnåelse af in vivo-hastigheder og identifikation af hastighedsbegrænsende trin.  (engelsk)  // J. Bacteriol. : magasin. - 1992. - Bd. 174 . — S. 4667-4676 .
  10. ↑ Ragsdale, SW , og Kumar, M. ,. Nikkelholdig carbonmonoxiddehydrogenase/acetyl-CoA-syntase. (engelsk)  // Chem. Rev. : magasin. - 1996. - Bd. 96 . — S. 2515-2539 .
  11. ↑ Collins, MD , Lawson, PA , Cordoba, JJ , Fernandez-Garayzabal, J. , Garsia, P. , Cai, J. , Hippe, H. , Farrow, JAE . Filogenien af ​​slægten Clostridium: forslag om fem nye slægter og elleve nye artskombinationer. (engelsk)  // Int J Syst Bacteriol : journal. - 1994. - Bd. 44 . — S. 812-826 .
  12. ↑ Matschiavelli N. , Oelgeschläger E. , Cocchiararo B. , Finke J. , Rother M. Function and Regulation of Isoforms of Carbon Monoxide Dehydrogenase/Acetyl Coenzyme A Synthase in Methanosarcina acetivorans  (engelsk)  // Journal of Bacteriology : Journal. - 2012. - Bd. 194 , nr. 19 . - P. 5377-5387 . - doi : 10.1128/JB.00881-12 . — PMID 22865842 .
  13. ↑ 1 2 Jansen, K. , Stupperich, E. , Fuchs, G. Carbohydrate synthesys from acetyl CoA in the autotroph Methanobacterium thermoautotrophicum  (engelsk)  // Archives of Microbiology : journal. - 1982. - Bd. 132 , nr. 4 . - S. 355-364 .
  14. ↑ Strous, M. , et al. Dechifrering af udviklingen og metabolismen af ​​en anammox-bakterie fra et samfundsgenom. (engelsk)  // Nature: journal. - 2006. - Bd. 440 . — S. 790-794 .
  15. ↑ 1 2 Schauder, R. , Preuß, A. , Jetten, M. , Fuchs, G. Oxidativ og reduktiv acetyl CoA/carbonmonoxid dehydrogenase-vej i Desulfobacterium autotrophicum – 2. Demonstration af enzymerne i processen og sammenligning af CO-dehydrogenase . (engelsk)  // Arch. mikrobiol. : magasin. - 1989. - Bd. 151 . - S. 84-89 . - doi : 10.1007/BF00444674 .
  16. ↑ Vorholt, JA , Hafenbradl, D. , Stetter, KO , og Thauer, RK Pathways of autotrophic CO2 fixation and of dissimilatory nitrat reduction to N2O in Ferroglobus placidus. (engelsk)  // Arch. mikrobiol. : magasin. - 1997. - Bd. 167 . - S. 19-23 .
  17. ↑ Vorholt, JA , Kunow, J. , Stetter, KO og Thauer, RK Enzymer og coenzymer af carbonmonoxid-dehydrogenase-vejen til autotrofisk CO2-fiksering i Archaeoglobus lithotrophicus og manglen på carbonmonoxid-dehydrogenase i den heterofundtrophic A. profund.  (engelsk)  // Arch. mikrobiol. : magasin. - 1995. - Bd. 163 . - S. 112-118 .
  18. ↑ Takai, K. , et al. Celleproliferation ved 122 grader C og isotopisk tung CH4-produktion af et hypertermofilt methanogen under højtryksdyrkning. (engelsk)  // Proc. Natl. Acad. sci. USA: magasin. - 2008. - Bd. 105 . - P. 10949-10954 .
  19. ↑ Fuchs, G. Alternative veje til kuldioxidfiksering: indsigt i livets tidlige udvikling?  (engelsk)  // Annu. Rev. mikrobiol. : magasin. - 2011. - Bd. 65 . - s. 631-658 . - doi : 10.1146/annurev-micro-090110-102801 .
  20. ↑ Rabus, R. , Hansen, T.A. , Widdel , F. Dissimilatory Sulfate- and Sulphur-reducing prokaryotes   // Prokaryotes: Journal. - 2006. - Bd. 2 . - S. 659-768 .
  21. ↑ Vorholt, J. , Kunov , J. , Stetter, K.O., Thauer, R.K.  (engelsk)  // Arch. mikrobiol. : magasin. - 1995. - Bd. 163 . - S. 112-118 . - doi : 10.1007/BF00381784 .
  22. ↑ Hattori, S. , Galushko, AS , Kamagata, Y. , Schink, B. Drift af CO-dehydrogenase/acetyl-coenzymet En vej i både acetatoxidation og acetatdannelse af den syntrofisk acetat-oxiderende bakterie Thermacetogenium phaeum.  (engelsk)  // J. Bacteriol. : magasin. - 2005. - Bd. 187 . - s. 3471-3476 . - doi : 10.1128/JB.187.10.3471-3476.2005 .
  23. ↑ Ljungdahl, LG Acetyl-CoA-vejen og den kemiosmotiske generering af ATP under acetogenese. (eng.)  // Drake HL (red) Acetogenese. Chapman og Hall, New York. - 1994. - S. 63-87 .
  24. ↑ Biegel, E. og Müller, V. ,. Bakteriel Na+-translokerende ferredoxin:NAD+ oxidoreduktase  (engelsk)  // Proc. Natl. Acad. sci. USA: magasin. - 2010. - Bd. 107 . - P. 18138-18142 .
  25. ↑ Thauer, R.K. , Kaster, A.K. , Seedorf, H. , Buckel, W. og Hedderich, R. Methanogenic archaea: ecologically relevant differences in energy conservation. (engelsk)  // Nat. Rev. mikrobiol. : magasin. - 2008. - Bd. 6 . - S. 579-591 .
  26. ↑ Müller, V. , Gottschalk, G. Natriumioncyklussen i acetogene og methanogene bakterier: generering og udnyttelse af en primær elektrokemisk natriumiongradient   // Drake HL (red) Acetogenesis . Chapman og Hall, New York. - 1994. - S. 127-156 .
  27. ↑ Müller, V. , Aufurth, S. , Rahlfs, S. Na+-cyklussen i Acetobacterium woodii: identifikation og karakterisering af en Na+-translokerende F1F0-ATPase med en blandet oligomer af 8 og 16-kDa proteolipider. (engelsk)  // Biochim Biophys Acta: tidsskrift. - 2001. - Nej. 1505 . — S. 108-120 .
  28. ↑ Spruth, M. , Reidlinger, J. , Müller, V. Natriumionafhængighed af inhibering af den Na+-translokerende F1F0-ATPase fra Acetobacterium woodii: sondering af det eller de steder, der er involveret i iontransport. (engelsk)  // Biochim Biophys Acta: tidsskrift. — 1995. — Nej. 1229 . - S. 96-102 .
  29. ↑ Müller, V. Energibesparelse i acetogene bakterier   // Appl . Environ. mikrobiol. : magasin. - 2003. - Bd. 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. Tidlig bioenergetisk evolution. (engelsk)  // Philos.Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci: tidsskrift. - 2013. - Bd. 368 . — S. 1-30 . - doi : 10.1098/rstb.2013.0088 .
  31. ↑ Schopf, JW , Hayes, JM , Walter, MR Evolution af jordens tidligste økosystemer: nylige fremskridt og uløste problemer. (eng.)  // Schopf JW (red) Jordens tidligste biosfære. Princeton University Press, Princeton. - 1983. - S. 361-384 .
  32. ↑ Brock, TD Evolutionære forhold mellem de autotrofe bakterier. (engelsk)  // Schlegel HG, Bowien B (red) Autotrofe bakterier. Science Tech, Madison. - 1989. - S. 499-512 .
  33. ↑ Wood, HG , Ljungdahl, LG Autotrofisk karakter af de acetogene bakterier. (eng.)  // Shively JM, Barton LL (red) Variations in autotrophic life. Akademisk, San Diego. - 1991. - S. 201-250 .
  34. ↑ Lindahl, PA , Chang, B. Udviklingen af ​​acetyl-CoA-syntase. (engelsk)  // Orig Life Evol Biosph. - 2001. - Nej. 31 . - S. 403-434 .
  35. ↑ MC Weiss , et al. Fysiologien og habitatet for den sidste universelle fælles forfader  //  Nature Microbiology: Journal. - 2016. - Bd. 16116 , nr. 1 . doi : 10.1038 / nmicrobiol.2016.116. . — PMID 27562259 .
  36. ↑ Braakman, Rogier , Smith, Eric. The Emergence and Early Evolution of Biological Carbon-Fixation  (engelsk)  // PLOS Computational Biology: Journal. — 2012-04-19. — Bd. 8 , nr. 4 . — P. e1002455 . — ISSN 1553-7358. . - doi : 10.1371/journal.pcbi.1002455 .
  37. ↑ Varma, Sreejith J. , Muchowska, Kamila B. , Chatelain, Paul , Moran, Joseph. Native jern reducerer CO2 til mellemprodukter og slutprodukter af acetyl-CoA-vejen  //  Nature Ecology & Evolution: tidsskrift. — 2018-04-23. — ISSN 2397-334X. . - doi : 10.1038/s41559-018-0542-2. .
  38. ↑ Lindahl, PA , Chang, B. Udviklingen af ​​acetyl-CoA-syntase. (engelsk)  // Orig Life Evol Biosph: tidsskrift. - 2001. - Nej. 31 . - S. 403-434 .

Litteratur