Trä-Ljungdalsstigen

Wood-Ljungdal- vägen , den reduktiva acetyl-CoA-vägen [1] är en metabolisk väg som är en serie biokemiska reaktioner som används av vissa anaeroba kemolitoautotrofa bakterier ( acetogen i processen med acetogenes ) och arkea - metanogener i processen ( metanogenes ) att fixera CO 2 och få energi . Denna väg tillåter organismer att använda väte som en elektrondonator och koldioxid  som en acceptor och byggsten för biosyntesen av organiska molekyler.

Denna väg beskriver den autotrofa produktionen av en acetyl-CoA-molekyl från två CO 2 -molekyler med användning av coenzymer och enzymer med metallhaltiga centra som CO 2 -acceptorer [2] [3] [4] [5] . Den totala reaktionen av Wood-Ljungdal-banan: går med frigörandet av energi ΔG 0' = -59,2 kJ / mol [6] . Denna energi är tillräcklig för att pumpa ett par joner över membranet och skapa en elektrokemisk gradient, men inte tillräckligt för substratfosforylering [7] .

Två CO2-molekyler reduceras oberoende av varandra, i olika (karbonyl och metyl) grenar av Wood-Ljungdal-vägen. Metylgrenen inkluderar en sekvens av reaktioner som leder till reduktion av CO 2 till metylgruppen -CH 3 . Metylgruppen är bunden av tetrahydrofolat (FH 4 ) i bakterier och av metanofuran (MFR) och tetrahydrometanopterin (H 4 MPT) i archaea som bärarkoenzymer. Karbonyldelen av vägen involverar reduktion av den andra CO2-molekylen till en karbonylgrupp (-CO) kopplad till enzymet CO-dehydrogenassom katalyserar denna reaktion. Metylgruppen kombineras sedan med en karbonylgrupp och koenzym A för att bilda en acetyl-CoA-molekyl. Ett speciellt enzym är involverat i detta: acetyl-CoA-syntetas[1] [8] . I mikroorganismer kan de representeras som två separata enzymer eller som ett bifunktionellt enzymkomplex som kombinerar båda dessa aktiviteter. Nyckelenzymet i vägen (CO-dehydrogenas/acetyl-CoA-syntas) kan utgöra en betydande andel av det totala lösliga cellulära proteinet (t.ex. 6 till 9% i Moorella thermoacetica ) [9] . CO-dehydrogenas/acetyl-CoA-syntas har ett gemensamt ursprung i alla prokaryoter som använder denna väg [10] .

En egenskap hos denna väg är produktionen av en stor mängd ättiksyra som en biprodukt, som inte används och utsöndras från cellen till utsidan. .

Upptäcktshistorik

Denna väg har fått sitt namn efter två forskare, Harland G. Wood och Lars G. Ljungdahl, som upptäckte de flesta av de enzymologiska egenskaperna hos modellacetogenbakterien Moorella thermoacetica . Senare omklassificerades den under namnet Clostridium thermoaceticum [11] .

Prevalens

Wood-Ljungdal-vägen förekommer endast i prokaryoter , till exempel i hydrogenotrofa metanogena arkaea [12] och homoacetogena bakterier som clostridia [13] , ammoniumoxiderande planctomycetes [14] , vissa sulfatreducerande bakterier Desulfobacterium sp. , Deltaproteobacteria [15] och autotrofa archaea Archaeoglobales ( Euryarchaeota ) [16] [17] . Således är denna väg endast närvarande i strikta anaerober. Detta beror på den höga känsligheten hos enzymerna i denna väg och deras kofaktorer för syre. Detta beror också på den höga efterfrågan på metalljoner (Mo, eller W, Co, Ni och Fe), som är i ett löst tillstånd i vatten, huvudsakligen i ett lågt oxidationstillstånd (det vill säga under anaeroba förhållanden utan tillgång till syre). Således bestämmer begränsningar för tillgängligheten av metaller, kofaktorer och syrekänslighet användningen av denna väg i ett begränsat antal ekologiska nischer, trots dess energieffektivitet.

Den reduktiva acetyl-CoA-vägen fungerar lika bra hos psykrofiler som hos hypertermofiler . Dess funktion är känd vid temperaturer som är högsta möjliga för cellreproduktion ( Methanopyrus kandlery ; 122°C) [18] .

Variationer

Även om det övergripande schemat för vägen är konservativ, används olika C1-bärare, kofaktorer, elektronbärare och enzymer i archaea och bakterier [19] Många varianter av denna väg är kända.

  1. Till exempel, i det inledande skedet kan fritt format eller CO, eller en formylgrupp associerad med koenzymet bildas.
  2. Tetrahydrofolat eller tetrahydrometanopterin används som olika C1-överföringskoenzymer. Både CO 2 och olika exogena C1-föreningar (CO, formiat, formaldehyd, metanol) eller föreningar som innehåller en metylgrupp fäst genom O-, N- eller S-atomen (metylamin, metylmerkaptan och enkla och komplexa O-aromatiska estrar). I detta fall sker tetrahydrofolatberoende demetylering av sådana metylestrar, där alkoholen R-OH frisätts och metylgruppen överförs till proteinet och sedan till tetrahydrofolsyra. Användningen av sådana föreningar kräver några ytterligare enzymer, såsom specifika metyltransferaser.
  3. Som elektrondonator för återvinning kan NADH, NADPH, ferredoxin, faktor F 420 eller H 2 användas .

Dessa skillnader i typen av kofaktor som skiljer sig mellan enzymer och mikrobiella arter gör det möjligt att förklara några av de skillnader som observerats i produktivitet och tillväxthastighet.

Omvänd (oxidativ) acetyl-CoA-väg

Alla reaktioner av den reduktiva acetyl-CoA-vägen är reversibla. Wood-Ljungdahl-vägen används omvänt i ämnesomsättningen:

  1. sulfatreducerande bakterier. I detta fall överförs elektroner tagna från organiska molekyler via acetyl-CoA till NADH, acetyl-CoA oxideras till CO 2 [20] .
  2. Homoacetogener [13] .
  3. Med nedbrytning av acetat till CO 2 och CH 4 i acetoklastiska metanogena bakterier.
  4. I anaeroba metylotrofer med metylestrar.
  5. De syntrofiska bakterierna Clostridium ultunece och Thermoacetogenium phaeum oxiderar acetat till CO 2 och H 2 i samband med att de konsumerar sulfidogener eller metanogener. Oxidation av acetat till CO 2 och H 2 är en endergonisk reaktion (∆G 0' =+107,1 kJ/mol acetat), och dess förekomst är möjlig vid ett mycket lågt partialtryck av väte. Detta blir möjligt när partnern i det syntrofiska paret förbrukar vätet som bildas under oxidationen av acetat.

Skillnader från andra kolfixeringsvägar

  1. Till skillnad från den omvända Krebs -cykeln och Calvin-cykeln är den reduktiva acetyl-CoA-vägen linjär och icke-cyklisk.
  1. Till skillnad från andra kolfixeringsvägar kan Wood-Ljungdahl-vägen vändas för att erhålla reducerande ekvivalenter från organiska föreningar under organo-heterotrofisk tillväxt [21] [15] [22]
  1. I motsats till andra kolfixeringsvägar kan Wood-Ljungdahls reduktiva väg användas inte bara för fixering, utan också för energilagring, genom bildning av en elektrokemisk väte- [23] - eller natrium -gradient över membranet [24] [4] [25] [26] [27] [28] . Den skapade gradienten konsumeras av ATPase för syntes av ATP från ADP och fosfat [29] .

Evolutionär betydelse

Hypoteser diskuteras för närvarande aktivt om att de första levande organismerna på jorden var kemolitoautotrofer som kan syntetisera alla eller de flesta av deras organiska föreningar från CO 2 med hjälp av H 2 eller annan oorganisk elektrondonator som reduktionsmedel [30] . Metanogener som använder denna väg (eller förfäder till metanogener) kan ha varit de första autotrofa organismerna [31] [32] . Eftersom livet har sitt ursprung under anoxygena förhållanden, kan acetyl-CoA-vägen, eller en mycket liknande, vara den första processen som används för autotrofisk CO2-fixering [33] [34] . Nyligen genomförda studier av arvsmassan hos ett antal bakterier och arkéer tyder på att den sista universella gemensamma förfadern (LUCA) använde Wood-Ljungdahl-vägen i hydrotermiska ventiler [35] . Fylogenetiska rekonstruktioner [36] såväl som kemiska experiment tyder på att denna väg kunde ha använts redan innan livets uppkomst [37] . Det är inte klart om det ursprungliga syftet med att använda denna väg var för kolassimilering (reduktion och kolfixering ) eller i oxidation av acetat. En fylogenetisk studie av acetyl-CoA-syntetas visar att mikroorganismer (acetogen och metanogener) som har detta enzym eller enzymer som är nära besläktade med det har en gemensam förfader [38] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ 12 Stephen W. Ragsdale . Metaller och deras byggnadsställningar för att främja svåra enzymatiska reaktioner  (engelska)  // Chemical Reviews : journal. - 2006. - Vol. 106 , nr. 8 . - s. 3317-3337 . - doi : 10.1021/cr0503153 .
  2. ↑ Ljungdahl, LC Den autotrofiska vägen för acetatsyntes i acetogena bakterier   // Annu . Varv. mikrobiol. : tidning. - 1986. - Vol. 40 . - S. 415-450 .
  3. ↑ Ragsdale, SW Enzymology of the Wood-Ljungdahl pathway of acetogenesis. (engelska)  // Ann. NY Acad. sci. : tidning. - 2008. - Vol. 1125 . — S. 129-136 .
  4. ↑ 1 2 Ragsdale, SW och Pierce, E. Acetogenesis and the Wood-Ljungdahl pathway of CO2 fixation. (engelska)  // Biochim. Biophys. Acta: tidning. - 2008. - Vol. 1784 . — S. 1873-1898 .
  5. ↑ Trä, HG Life med CO eller CO2 och H2 som kol- och energikälla. (engelska)  // FASEB J. : journal. - 1991. - Vol. 5 . — S. 156-163 .
  6. ↑ Fuchs, G. Variation av acetyl-CoA-vägen i olika besläktade mikroorganismer som inte är acetogener  // Acetogenesis (  Drake, G., Ed.): bok. - 1994. - P. 506-538 Chapman and Hall, New York .
  7. ↑ Thauer, R.K. , Jungermann, K. och Decker, K. Energy-conservation in chemotrophic anaerobic bacteria. (engelska)  // Bacteriol. Varv. : tidning. - 1977. - Vol. 41 . — S. 100-180 .
  8. ↑ Paul A. Lindahl.  Nickel-kolbindningar i acetyl-koenzym A-syntaser / kolmonoxiddehydrogenaser  // metalljoner inom biovetenskap : samling / komp. Sigel A. , Sigel H. , Sigel RK O. - Royal Society of Chemistry, 2009. - 4 februari ( vol. 6 ). - S. 133-150 . - ISBN 978-1-84755-915-9 . doi : 10.1039 / 9781847559333-00133 . — PMID 20877794 .
  9. ↑ Roberts, JR , W.-P. Lu och Ragsdale, SW Acetyl-koenzym A-syntes från metyltetrahydrofolat, CO och koenzym A genom enzymer renade från Clostridium thermoaceticum : uppnående av in vivo-hastigheter och identifiering av hastighetsbegränsande steg.  (engelska)  // J. Bacteriol. : tidning. - 1992. - Vol. 174 . — S. 4667-4676 .
  10. ↑ Ragsdale, SW och Kumar, M. ,. Nickelhaltig kolmonoxiddehydrogenas/acetyl-CoA-syntas. (engelska)  // Chem. Varv. : tidning. - 1996. - Vol. 96 . — S. 2515-2539 .
  11. ↑ Collins, MD , Lawson, PA , Cordoba, JJ , Fernandez-Garayzabal, J. , Garsia, P. , Cai, J. , Hippe, H. , Farrow, JAE. Filogenin av släktet Clostridium: förslag på fem nya släkten och elva nya artkombinationer. (engelska)  // Int J Syst Bacteriol : journal. - 1994. - Vol. 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  (engelska)  // Journal of Bacteriology : journal. - 2012. - Vol. 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  (engelska)  // Archives of Microbiology : journal. - 1982. - Vol. 132 , nr. 4 . - s. 355-364 .
  14. ↑ Strous, M. , et al. Dechiffrera evolutionen och metabolismen av en anammox-bakterie från ett gemenskapsgenom. (engelska)  // Nature : journal. - 2006. - Vol. 440 . — S. 790-794 .
  15. ↑ 1 2 Schauder, R. , Preuß, A. , Jetten, M. , Fuchs, G. Oxidativ och reduktiv acetyl-CoA/kolmonoxiddehydrogenasväg i Desulfobacterium autotrophicum – 2. Demonstration av enzymerna i vägen och jämförelse av CO-dehydrogenas . (engelska)  // Arch. mikrobiol. : tidning. - 1989. - Vol. 151 . - S. 84-89 . - doi : 10.1007/BF00444674 .
  16. ↑ Vorholt, JA , Hafenbradl, D. , Stetter, KO och Thauer, RK. Vägar för autotrofisk CO2-fixering och dissimilatorisk nitratreduktion till N2O i Ferroglobus placidus. (engelska)  // Arch. mikrobiol. : tidning. - 1997. - Vol. 167 . - S. 19-23 .
  17. ↑ Vorholt, JA , Kunow, J. , Stetter, KO och Thauer, RK Enzymer och koenzymer av kolmonoxiddehydrogenasvägen för autotrofisk CO2-fixering i Archaeoglobus lithotrophicus och avsaknaden av kolmonoxiddehydrogenas i den heterofundatrofa A. proffesionella.  (engelska)  // Arch. mikrobiol. : tidning. - 1995. - Vol. 163 . - S. 112-118 .
  18. ↑ Takai, K. , et al. Cellproliferation vid 122 grader C och isotopiskt tung CH4-produktion av en hypertermofil metanogen under högtrycksodling. (engelska)  // Proc. Natl. Acad. sci. USA: tidning. - 2008. - Vol. 105 . - P. 10949-10954 .
  19. ↑ Fuchs, G. Alternativa vägar för koldioxidfixering: insikter i livets tidiga evolution?  (engelska)  // Annu. Varv. mikrobiol. : tidning. - 2011. - Vol. 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. - Vol. 2 . - P. 659-768 .
  21. ↑ Vorholt, J. , Kunov , J. , Stetter, K.O., Thauer, R.K.  (engelska)  // Arch. mikrobiol. : tidning. - 1995. - Vol. 163 . - S. 112-118 . - doi : 10.1007/BF00381784 .
  22. ↑ Hattori, S. , Galushko, AS , Kamagata, Y. , Schink, B. Drift av CO-dehydrogenas/acetyl-koenzym En väg i både acetatoxidation och acetatbildning av den syntrofiskt acetatoxiderande bakterien Thermacetogenium phaeum.  (engelska)  // J. Bacteriol. : tidning. - 2005. - Vol. 187 . - P. 3471-3476 . - doi : 10.1128/JB.187.10.3471-3476.2005 .
  23. ↑ Ljungdahl, LG Acetyl-CoA-vägen och den kemiosmotiska genereringen av ATP under acetogenes. (eng.)  // Drake HL (red) Acetogenesis. Chapman och Hall, New York. - 1994. - S. 63-87 .
  24. ↑ Biegel, E. och Müller, V. ,. Bakteriellt Na+-translokerande ferredoxin:NAD+ oxidoreduktas  (engelska)  // Proc. Natl. Acad. sci. USA: tidning. - 2010. - Vol. 107 . - P. 18138-18142 .
  25. ↑ Thauer, R.K. , Kaster, A.K. , Seedorf, H. , Buckel, W. och Hedderich, R. Methanogenic archaea: ekologiskt relevanta skillnader i energibesparing. (engelska)  // Nat. Varv. mikrobiol. : tidning. - 2008. - Vol. 6 . - s. 579-591 .
  26. ↑ Müller, V. , Gottschalk, G. Natriumjoncykeln i acetogena och metanogena bakterier: generering och utnyttjande av en primär elektrokemisk natriumjongradient   // Drake HL (red) Acetogenesis . Chapman och Hall, New York. - 1994. - S. 127-156 .
  27. ↑ Müller, V. , Aufurth, S. , Rahlfs, S. Na+-cykeln i Acetobacterium woodii: identifiering och karakterisering av ett Na+-translokerande F1F0-ATPas med en blandad oligomer av 8 och 16-kDa proteolipider. (engelska)  // Biochim Biophys Acta: tidskrift. - 2001. - Nej . 1505 . — S. 108-120 .
  28. ↑ Spruth, M. , Reidlinger, J. , Müller, V. Natriumjonberoende för hämning av Na+-translokerande F1F0-ATPas från Acetobacterium woodii: sondering av platsen/platserna som är involverade i jontransport. (engelska)  // Biochim Biophys Acta: tidskrift. — 1995. — Nej . 1229 . - S. 96-102 .
  29. ↑ Müller, V. Energisparande i acetogena bakterier   // Appl . Environ. mikrobiol. : tidning. - 2003. - Vol. 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. Tidig bioenergetisk evolution. (engelska)  // Philos.Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci: tidskrift. - 2013. - Vol. 368 . — S. 1-30 . - doi : 10.1098/rstb.2013.0088 .
  31. ↑ Schopf, JW , Hayes, JM , Walter, MR Utveckling av jordens tidigaste ekosystem: nya framsteg och olösta problem. (eng.)  // Schopf JW (red) Jordens tidigaste biosfär. Princeton University Press, Princeton. - 1983. - S. 361-384 .
  32. ↑ Brock, TD Evolutionära relationer mellan de autotrofa bakterierna. (engelska)  // Schlegel HG, Bowien B (red) Autotrofa bakterier. Science Tech, Madison. - 1989. - S. 499-512 .
  33. ↑ Wood, HG , Ljungdahl, LG Autotrofisk karaktär av acetogena bakterier. (eng.)  // Shively JM, Barton LL (red) Variations in autotrophic life. Akademisk, San Diego. - 1991. - S. 201-250 .
  34. ↑ Lindahl, PA , Chang, B. Utvecklingen av acetyl-CoA-syntas. (engelska)  // Orig Life Evol Biosph. - 2001. - Nej . 31 . - s. 403-434 .
  35. ↑ MC Weiss , et al. Fysiologin och livsmiljön för den sista universella gemensamma förfadern  //  Nature Microbiology: Journal. - 2016. - Vol. 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  (engelska)  // PLOS Computational Biology: Journal. — 2012-04-19. — Vol. 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. Naturligt järn reducerar CO2 till intermediärer och slutprodukter av acetyl-CoA-vägen  //  Nature Ecology & Evolution : journal. — 2018-04-23. — ISSN 2397-334X. . - doi : 10.1038/s41559-018-0542-2. .
  38. ↑ Lindahl, PA , Chang, B. Utvecklingen av acetyl-CoA-syntas. (engelska)  // Orig Life Evol Biosph: tidskrift. - 2001. - Nej . 31 . - s. 403-434 .

Litteratur