Русская Википедия:Путь Вуда — Льюнгдаля

Содержание

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Файл:Reduktiver Acetyl-CoA-Weg.png

Восстановительный путь ацетил-КоА

Путь Вуда — Льюнгдаля, восстановительный ацетил-КоА путь — метаболический путь, представляющий собой серию биохимических реакций, используемых некоторыми анаэробными хемолитоавтотрофными бактериями (ацетогенами в процессе ацетогенеза) и археями-метаногенами в процессе (метаногенеза) для фиксации СO₂ и получения энергии. Этот путь позволяет организмам использовать водород в качестве донора электронов и диоксид углерода — в качестве акцептора и строительного блока для биосинтеза органических молекул.

Этот путь описывает автотрофное получение молекулы ацетил-КоА из двух молекул СО₂ с использованием коферментов и ферментов с металл-содержащими центрами в качестве акцепторов СО₂. Суммарная реакция пути Вуда-Льюнгдаля: <chem>{2CO2} + 4H2 + {КоАSH} -> {CH3COKoA} + 3H2O</chem> идет с выделением энергии ΔG^0‘=-59,2 кДж/моль. Этой энергии достаточно для перекачки пары ионов через мембрану и создания электрохимического градиента, но недостаточно для субстратного фосфорилирования.

Две молекулы СО₂ восстанавливаются независимо, в разных (карбонильной и метильной) ветках пути Вуда-Льюнгдаля. Метильная ветвь включает последовательность реакций, которая приводит к восстановлению СО₂ до метильной группы -СН₃. Метильная группа при этом связана тетрагидрофолатом (FH₄) в бактериях и метанофураном (MFR) и тетрагидрометаноптерином (H₄MPT) в археях, в качестве коферментов-переносчиков. Карбонильная часть пути включает восстановление второй молекулы CO₂ до карбонильной группы (-СО), связанной с ферментом Шаблон:Нп3, катализирующим эту реакцию. Затем метильная группа комбинируется с карбонильной группой и коферментом А, образуя молекулу ацетил-КоА. В этом участвуют особый фермент: Шаблон:Нп3. В микроорганизмах они могут быть представлены как два отдельных фермента, так и как бифункциональный ферментный комплекс, объединяющий обе эти активности. Ключевой фермент пути (СО-дегидрогеназа/ацетил-КоА синтаза) может составлять существенную часть от всего растворимого клеточного белка (например, от 6 до 9% у Moorella thermoacetica). СО-дегидрогеназа/ацетил-КоА синтаза имеет общее происхождение у всех прокариот, использующих этот путь.

Особенностью этого пути является производство большого количества уксусной кислоты в качестве побочного продукта, который не используется и выводится из клетки наружуШаблон:Нет АИ.

История открытия

Этот путь был назван в честь двух исследователей, Harland G. Wood и Lars G. Ljungdahl, которые обнаружили большинство энзимологических свойств модельной ацетогенной бактерии Moorella thermoacetica. В дальнейшем она была переклассифицирована под названием Clostridium thermoaceticum.

Распространенность

Путь Вуда — Льюнгдаля встречается, только у прокариот, например, у гидрогенотрофных метаногенных архей и гомоацетогенных бактерий, таких как клостридии, аммоний-окисляющих планктомицетов, некоторых сульфатредуцирующих бактерий Desulfobacterium sp., Deltaproteobacteria и автотрофной археи Archaeoglobales (Euryarchaeota). Таким образом, этот путь представлен только у строгих анаэробов. Это связано с высокой чувствительностью ферментов этого пути и их кофакторов к кислороду. Также это связано с высокой потребностью в ионах металлов (Mo, или W, Co, Ni, и Fe), которые находятся в растворенном состоянии в воде преимущественно в низкой степени окисления (то есть в анаэробных условиях без доступа кислорода). Таким образом ограничения накладываемые на доступность металлов, кофакторов и чувствительность к кислороду определяет использование этого пути в ограниченном числе экологических ниш, несмотря на его энергетическую эффективность.

Восстановительный ацетил-КоА путь функционирует в психрофилах также хорошо, как и в гипертермофилах. Его функционирование известно при температурах, которые являются максимально возможными для размножения клеток (Methanopyrus kandlery; 122°C).

Вариации

Хотя общая схема пути консервативна, в археях и бактериях используются отличающиеся С1-переносчики, кофакторы, переносчики электронов и ферменты Известно много вариантов данного пути.

1. Например, на начальной стадии может образвываться свободный формиат, или СО, или формильная группа, связанная с коферментом.
2. В качестве различных С1 переносящих коферментов используются тетрагидрофолат, или тетрагидрометаноптерин. Источником связанных с тетрагидрофолиевой кислотой С1-фрагментов могут служить как СО₂, так и различные экзогенные С1-соединения (CO, формиат, формальдегид, метанол) или содержащие, присоединенную через атом О, N, или S метильную группу соединения (метиламин, метилмеркаптан, и простые и сложные О-ароматические эфиры). При этом осуществляется тетрагидрофолат-зависимое деметилирование таких метиловых эфиров при котором спирт R-ОН высвобождается, а метильная группа переносится на белок и затем на тетрагидрофолиевую кислоту. Для использования таких соединений необходимы некоторые дополнительные ферменты, например, специфичные метилтрансферазы.
3. В качестве донора электронов для восстановления могут использоваться НАДН, НАДФН, ферредоксин, фактор F₄₂₀ или Н₂.

Эти отличия в типе кофактора, отличающегося в разных ферментах и видах микроорганизмов делает возможным объяснить часть отличий наблюдаемых в продуктивности и скорости роста.

Обратный (окислительный) ацетил-КоА путь

Все реакции восстановительного ацетил-КоА пути обратимы. Путь Вуда-Льюнгдаля используется в обратном направлении в метаболизме:

1. сульфатредуцирующих бактерий. При этом электроны, взятые из органических молекул, переносятся посредством ацетил-КоА на НАДН, ацетил-КоА окисляется до СO₂.
2. Гомоацетогенов .
3. При расщеплении ацетата до СО₂ и СН₄ у ацетокластических метаногенных бактерий.
4. У анаэробных метилотрофов, использующих метиловые эфиры.
5. Синтрофные бактерии Clostridium ultunenece и Thermoacetogenium phaeum окисляют ацетат до СО₂ и Н₂ в ассоциации с потребляющими сульфидогенами или метаногенами. Окисление ацетата до СО₂ и Н₂ является эндэргоничной реакцией (∆G^0’=+107,1 кДж/моль ацетата), и ее протекание возможно при очень низком парциальном давлении водорода. Это становится возможным когда партнер в синтрофной паре потребляет образующийся при окислении ацетата водород.

Отличия от других путей фиксации углерода

1. В отличие от обратного цикла Кребса и цикла Калвина, восстановительный ацетил-КоА путь линеен и не является циклическим.
2. В отличие от других путей фиксации углерода, путь Вуда-Льюнгдаля может идти в обратном направлении, для получения восстановительных эквивалентов из органических соединений в течение органо-гетеротрофного роста
3. В противоположность другим путям фиксации углерода, восстановительный путь Вуда-Льюнгдаля может быть использован не только для фиксации, но также и для запасания энергии, через образование водородного или натриевого электрохимического градиента на мембране. Созданный градиент потребляется АТФ-азой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата .

Эволюционное значение

В настоящее время активно обсуждаются гипотезы, что первые живые организмы на земле были хемолитоавтотрофами, способными синтезировать все или большинство их органических соединений из СО₂, используя Н₂ или другой неорганический донор электронов как восстановитель. Метаногены, использующие этот путь (или предки метаногенов), могли быть первыми автотрофными организмами. Поскольку жизнь зародилась в аноксигенных условиях, ацетил-КоА путь или очень похожий на него может быть первым процессом, используемым для автотрофной фиксации СО2. Последние исследования геномов ряда бактерий и архей приводят к мысли, что последний универсальный общий предок (LUCA) использовал путь Вуда-Льюнгдаля в гидротермальных источниках. Филогенетические реконструкции также как и химические эксперименты наводят на мысль, что этот путь мог использоваться еще при возникновении жизни . Неясно, была ли первоначальная цель использования этого пути для ассимиляции углерода (восстановление и фиксация углерода) или в окислении ацетата. Филогенетическое исследование ацетил-КоА синтетазы показывает что микроорганизмы (ацетогены и метаногены), имеющие этот фермент или ферменты, близкородственные ему, имеют общего предка.

См. также

• Связывание углерода

Литература

• Соколова Т. Г. Термофильные гидрогеногенные карбоксидотрофные прокариоты : диссертация на соискание учёной степени доктора биологических наук. — М. : 2008. : 03.00.07. — 283 с.
• Шаблон:Статья
• Шаблон:Статья