Mocowanie węglowe - Carbon fixation

Sinice takie jak te przeprowadzają fotosyntezę. Ich pojawienie się zapowiadało ewolucję wielu roślin fotosyntetycznych, które natleniały ziemską atmosferę.

Wiązanie węgla lub asymilacja węgla to proces, w którym węgiel nieorganiczny (szczególnie w postaci dwutlenku węgla ) jest przekształcany w związki organiczne przez organizmy żywe . Związki są następnie wykorzystywane do przechowywania energii i jako struktura dla innych biomolekuł . Węgiel jest przede wszystkim utrwalany poprzez fotosyntezę , ale niektóre organizmy wykorzystują proces zwany chemosyntezą przy braku światła słonecznego.

Organizmy, które rosną poprzez wiązanie węgla, nazywane są autotrofami , które obejmują fotoautotrofy (wykorzystujące światło słoneczne) i litoautotrofy (wykorzystujące utlenianie nieorganiczne). Heterotrofy same w sobie nie są zdolne do wiązania węgla, ale są zdolne do wzrostu poprzez konsumowanie węgla związanego przez autotrofy lub inne heterotrofy. „Węgiel związany”, „węgiel zredukowany” i „węgiel organiczny” mogą być używane zamiennie w odniesieniu do różnych związków organicznych.

Wiązanie CO ₂ netto vs. brutto

Grafika przedstawiająca roczne ilości netto wiązania CO ₂ przez organizmy lądowe i morskie.

Główną formą wiązania węgla nieorganicznego jest dwutlenek węgla (CO ₂ ). Szacuje się, że około 258 miliardów ton dwutlenku węgla jest przetwarzanych w procesie fotosyntezy rocznie. Większość fiksacji występuje w środowiskach lądowych, zwłaszcza w tropikach. Całkowita ilość związanego dwutlenku węgla jest znacznie większa, ponieważ około 40% jest zużywane przez oddychanie po fotosyntezie.

Przegląd ścieżek

Chociaż węgiel jest głównie wiązany przez 6 szlaków autotroficznych, istnieją również szlaki nieautotroficzne.

Sześć autotroficznych szlaków wiązania węgla jest znanych od 2011 roku. Cykl Calvina wiąże węgiel w chloroplastach roślin i alg oraz w sinicach . Wiąże również węgiel w anoksygenicznej fotosyntezie w jednym rodzaju proteobakterii zwanych fioletowymi bakteriami oraz w niektórych niefototroficznych proteobakteriach.

Z pięciu innych szlaków autotroficznych, dwa są znane tylko u bakterii ( redukcyjny cykl kwasu cytrynowego i cykl 3-hydroksypropionianu ), dwa tylko w archeonach (dwa warianty cyklu 3-hydroksypropionianu), a jeden zarówno w bakteriach, jak i archeonach ( redukcyjne acetylo-CoA szlak ).

Fotosynteza tlenowa

W fotosyntezie energia światła słonecznego napędza szlak wiązania węgla . Fotosynteza tlenowa jest wykorzystywana przez głównych producentów — rośliny, glony i sinice . Zawierają pigment chlorofil i wykorzystują cykl Calvina do autotroficznego wiązania węgla. Proces działa tak:

2H ₂ O → 4e ⁻ + 4H ⁺ + O ₂

CO ₂ + 4e ⁻ + 4H ⁺ → CH ₂ O + H ₂ O

W pierwszym etapie woda jest dysocjowana na elektrony , protony i wolny tlen . Pozwala to na wykorzystanie wody, jednej z najpowszechniejszych substancji na Ziemi, jako donora elektronów – jako źródła mocy redukującej. Uwalnianie wolnego tlenu jest skutkiem ubocznym o ogromnych konsekwencjach. Pierwszy krok wykorzystuje energię światła słonecznego do utleniania wody do O ₂ , a ostatecznie do produkcji ATP

ADP + P _i ATP + H ₂ O

i reduktor NADPH

NADP ⁺ + 2e ⁻ + 2H ⁺ ⇌ NADPH + H ⁺

W drugim etapie, zwanym cyklem Calvina, następuje faktyczne wiązanie dwutlenku węgla. Proces ten zużywa ATP i NADPH. Cykl Calvina w roślinach odpowiada za dominację wiązania węgla na lądzie. W algach i sinicach odpowiada za przeważające wiązanie węgla w oceanach. Cykl Calvina przekształca dwutlenek węgla w cukier, jako fosforan triozy (TP), który jest 3-fosforanem aldehydu glicerynowego (GAP) wraz z fosforanem dihydroksyacetonu (DHAP):

3 CO ₂ + 12 e ⁻ + 12 H ⁺ + P _i → TP + 4 H ₂ O

Alternatywna perspektywa uwzględnia NADPH (źródło e ⁻ ) i ATP:

3 CO ₂ + 6 NADPH + 6 H ⁺ + 9 ATP + 5 H ₂ O → TP + 6 NADP ⁺ + 9 ADP + 8 P _i

Wzór na nieorganiczny fosforan (P _i ) to HOPO ₃ ^2- + 2H ⁺ . Wzory dla triozy i TP to C ₂ H ₃ O _2- CH ₂ OH i C ₂ H ₃ O _2- CH ₂ OPO ₃ ^2- + 2H ⁺

Rozważania ewolucyjne

Gdzieś między 3,8 a 2,3 miliarda lat temu przodkowie cyjanobakterii wyewoluowali fotosyntezę tlenową , umożliwiając wykorzystanie obfitej, ale stosunkowo utlenionej cząsteczki H ₂ O jako donora elektronów w łańcuchu transportu elektronów katalizowanego światłem pompowania protonów odpowiedzialnego za wydajne ATP synteza. Kiedy nastąpił ten ewolucyjny przełom, uważa się, że autotrofia (wzrost z wykorzystaniem węgla nieorganicznego jako jedynego źródła węgla) już się rozwinęła. Jednak proliferacja cyjanobakterii, ze względu na ich nową zdolność do wykorzystywania wody jako źródła elektronów, radykalnie zmieniła globalne środowisko poprzez natlenienie atmosfery i osiągnięcie dużych strumieni zużycia CO ₂ .

Mechanizmy koncentracji CO ₂

Wiele organizmów fotosyntetycznych nie nabyło mechanizmów koncentracji CO ₂ (CCM), które zwiększają stężenie CO ₂ dostępnego dla początkowej karboksylazy cyklu Calvina, enzymu RuBisCO . Korzyści płynące z CCM obejmują zwiększoną tolerancję na niskie zewnętrzne stężenia węgla nieorganicznego i zmniejszone straty spowodowane fotooddychaniem . CCM mogą sprawić, że rośliny będą bardziej tolerancyjne na stres cieplny i wodny.

Mechanizmy zatężania CO ₂ wykorzystują enzym anhydrazę węglanową (CA), który katalizuje zarówno odwodnienie wodorowęglanu do CO _{2, jak} i uwodnienie CO ₂ do wodorowęglanu

HCO ₃ ⁻ + H ⁺ ⇌ CO ₂ + H ₂ O

Błony lipidowe są znacznie mniej przepuszczalne dla wodorowęglanów niż dla CO ₂ . Aby skuteczniej wychwytywać węgiel nieorganiczny, niektóre rośliny dostosowały reakcje anaplerotyczne

HCO ₃ ⁻ + H ⁺ + PEP → OAA + P _i

katalizowane karboksylazy PEP (PEPC), do karboksylanu fosfoenolopirogronianu (PEP) do szczawiooctanu (OAA), który oznacza grupę C, ₄ dikarboksylowego .

Rośliny CAM

Rośliny CAM, które wykorzystują metabolizm kwasu Crassulacean jako adaptację do suchych warunków. CO ₂ przedostaje się przez aparaty szparkowe w nocy i jest przekształcany w związek 4-węglowy, kwas jabłkowy , który uwalnia CO ₂ do wykorzystania w cyklu Calvina w ciągu dnia, kiedy aparaty szparkowe są zamknięte. Roślina gnojowo-nefrytowa ( Crassula ovata ) i kaktusy są typowe dla roślin CAM. Szesnaście tysięcy gatunków roślin wykorzystuje CAM. Rośliny te mają sygnaturę izotopową węgla od -20 do -10 ‰.

C ₄ rośliny

C ₄ rośliny poprzedzić cyklu Calvin reakcje, które obejmują CO ₂ w jeden ze związków węgla 4, kwas jabłkowy lub kwas asparaginowy. C ₄ rośliny mają charakterystyczny wewnętrznej anatomii liści. Traw tropikalnych, takich jak trzcina cukrowa i kukurydza są C ₄ rośliny, ale istnieje wiele rośliny szerokolistne, które są C ₄ . Ogólnie, 7600 gatunki roślin lądowych użyć C ₄ asymilacja węgla, co stanowi około 3% wszystkich gatunków. Rośliny te mają sygnaturę izotopową węgla od -16 do -10 ‰.

C ₃ rośliny

Znaczna większość zakładów jest C ₃ rośliny . Są to tak zwane aby odróżnić je od krzywki i C ₄ roślinach, a ponieważ produkty karboksylowane cyklu Calvin są związkami 3-węgiel. Na brak C ₄ cykle z kwasami dikarboksylowymi, a zatem wyższe CO ₂ punkty korekcji niż CAM lub C ₄ roślin. Rośliny C ₃ mają sygnaturę izotopową węgla od -24 do -33‰.

Bakterie i sinice

Prawie wszystkie cyjanobakterie i niektóre bakterie wykorzystują karboksysomy do koncentracji dwutlenku węgla. Karboksysomy to otoczki białkowe wypełnione enzymem RuBisCO i anhydrazą węglanową . Anhydrazy węglanowej wytwarza CO ₂ z wodorowęglanu który dyfunduje karboksysomy. Otaczająca powłoka stanowi barierę dla utraty dwutlenku węgla, pomagając zwiększyć jego stężenie wokół RuBisCO.

Algi eukariotyczne

Eukariotycznych glonów różne transportery wodorowęglanu i węglowego Anhydrazy służą do zwiększenia CO ₂ równowagi strumienia w kierunku pirenoid, niski CO ₂ -permeable subkomórkową komora w chloroplastach, zawierającą większość RUBISCO.

Inne szlaki autotroficzne

Odwrócony cykl Krebsa

Odwrotnej cykl Krebsa , znany również jako cykl odwrotny TCA (RTCA) albo redukcyjne cyklu kwasu cytrynowego , to alternatywą dla standardowego cyklu Calvin-Benson do mocowania węgla. Stwierdzono go u bakterii beztlenowych lub mikrotlenowych (jako Aquificales ) oraz archeonów beztlenowych . Został odkryty przez Evansa, Buchanana i Arnona w 1966 roku, pracując z fotosyntetyczną bakterią siarki zielonej Chlorobium limicola . Cykl obejmuje biosyntezę acetylo-CoA z dwóch cząsteczek CO ₂ . Kluczowe etapy odwróconego cyklu Krebsa to:

• Szczawiooctan do jabłczanu , przy użyciu NADH + H ⁺

${\ Displaystyle {\ ce {szczawiooctan + NADH/H+ -> Jabłczan + NAD+}}}$

• Fumaran do bursztynianu , katalizowany przez oksydoreduktazę, reduktazę fumaranową

${\ Displaystyle {\ ce {fumaran + FADH2 <=> bursztynian + FAD}}}$

• Bursztynian do sukcynylo-CoA , etap zależny od ATP

${\ Displaystyle {\ ce {bursztynian + ATP + CoA -> sukcynylo-CoA + ADP + Pi}}}$

• sukcynylo-CoA do alfa-ketoglutaranu , przy użyciu jednej cząsteczki CO ₂

${\ Displaystyle {\ ce {sukcynylo-CoA + CO2 + Fd {(czerwony)} -> alfa-ketoglutaran + Fd {(ox)}}}$

• Alfa-ketoglutaran do izocytrynianu , przy użyciu NADPH +H ⁺ i innej cząsteczki CO ₂

${\ Displaystyle {\ ce {alfa-ketoglutaran + CO2 + NAD (P) H / H + -> Izocytrynian + NAD (P) +}}}$

• Cytrynian przekształcony w szczawiooctan i acetylo-CoA , jest to etap zależny od ATP, a kluczowym enzymem jest liaza cytrynianowa ATP

${\ Displaystyle {\ ce {Cytrynian + ATP + CoA -> Szczawiooctan + Acetylo-CoA + ADP + Pi}}}$

Szlak ten jest cykliczny z powodu regeneracji szczawiooctanu.

Odwrócony cykl Krebsa jest wykorzystywany przez mikroorganizmy w środowiskach beztlenowych. W szczególności jest to jeden z najczęściej wykorzystywanych szlaków w kominach hydrotermalnych przez Epsilonproteobacteria . Ta cecha jest bardzo ważna w oceanach. Bez niego nie byłoby produkcji pierwotnej w środowiskach afotycznych, co prowadziłoby do siedlisk bez życia. Tak więc ten rodzaj produkcji pierwotnej nazywa się „ciemną produkcją pierwotną”.

Innym ważnym aspektem jest symbioza między Gammaproteobacteria i Riftia pachyptila . Bakterie te mogą przechodzić z cyklu Calvina-Bensona na cykl rTCA i odwrotnie w odpowiedzi na różne stężenia H ₂ S w środowisku.

Redukcyjny szlak acetylo-CoA

Szlak redukcyjny acetylo-CoA (CoA), znany również jako szlak Wood-Ljungdahl, został odkryty przez Harlanda G. Wooda i Larsa G. Ljungdahla w 1965 roku, dzięki ich badaniom nad Clostridium thermoaceticum , bakterią Gram-dodatnią, obecnie nazywaną Moorella thermoacetica . Jest to acetogen , bakteria beztlenowa, która wykorzystuje CO ₂ jako akceptor elektronów i źródło węgla oraz H ₂ jako donor elektronów do tworzenia kwasu octowego. Metabolizm ten jest szeroko rozpowszechniony w typie Firmicutes , zwłaszcza w Clostridia .

Szlak jest również wykorzystywany przez metanogeny , którymi są głównie Euryarchaeota , oraz kilka beztlenowych chemolitoautotrofów, takich jak bakterie redukujące siarczany i archeony. Jest to prawdopodobnie również wykonywane przez Brocadiales, o rząd Planctomycetes które utleniają amoniak w warunkach beztlenowych. Metanogeneza hydrogenotroficzna , która występuje tylko w niektórych archeonach i odpowiada za 80% globalnej metanogenezy, również opiera się na szlaku redukcyjnym acetylo-CoA.

Tlenku węgla dehydrogenazy / acetylo-CoA syntazy jest enzymem wrażliwy na tlen, który umożliwia redukcję CO ₂ do CO i syntezy acetylo-CoA w wielu reakcjach.

Jedna gałąź tego szlaku, gałąź metylowa, jest podobna, ale niehomologiczna dla bakterii i archeonów. W tej gałęzi zachodzi redukcja CO ₂ do reszty metylowej związanej z kofaktorem. Półprodukty to mrówczan dla bakterii i formylo-metanofuran dla archeonów, a także nośniki, odpowiednio tetrahydrofolian i tetrahydropteryny w bakteriach i archeonach, są różne, takie jak enzymy tworzące grupę metylową związaną z kofaktorem.

W przeciwnym przypadku, gałąź karbonylo homologiczną pomiędzy dwiema domenami i obejmuje redukcję innej cząsteczki CO ₂ do reszty karbonylowej związanej z enzymem, katalizowane przez dehydrogenazę CO / syntazy acetylo-CoA. Ten kluczowy enzym jest również katalizatorem tworzenia acetylo-CoA z produktów poprzednich reakcji, reszt metylowych i karbonylowych.

Ten szlak wiązania węgla wymaga tylko jednej cząsteczki ATP do wytworzenia jednej cząsteczki pirogronianu, co czyni ten proces jednym z głównych wyborów dla chemolitoautotrofów o ograniczonej energii i żyjących w warunkach beztlenowych.

Rower 3-hydroksypropionianowy

3-hydroksypropionianu rower , znany także jako 3 HP / malyl-CoA cyklu odkrył Helge Holo w 1989. Jest to szlak asymilacja węgla i jest wykorzystywana przez zielone phototrophs bez siarki Chloroflexaceae rodziny oraz maksymalnego wykładnika ta rodzina Chloroflexus auranticus, dzięki której w ten sposób została odkryta i zademonstrowana.

Rower 3-hydroksypropionianu składa się z dwóch cykli, a nazwa tego sposobu pochodzi od 3-hydroksyporopionianu, który odpowiada jego pośredniej charakterystyce.

Pierwszy cykl to sposób syntezy glikoksylanu. Podczas tego cyklu dwie cząsteczki wodorowęglanu są utrwalane dzięki działaniu dwóch enzymów: karboksylaza Acetylo-CoA katalizuje karboksylację Acetylo-CoA do Malonylo-CoA, a karboksylaza Propionyl-CoA katalizuje karboksylację Propionyl-CoA do Metylomalonylo-CoA. Od tego momentu seria reakcji prowadzi do powstania glikoksylanu, który w ten sposób stanie się częścią drugiego cyklu.

W drugim cyklu glikoksilan jest w przybliżeniu jedną cząsteczką Propionyl-CoA tworzącą Metylomalonyl-CoA. To z kolei jest następnie przekształcane w szeregu reakcji w Citramalyl-CoA. Citramalyl-CoA jest podzielony na pirogronian i Acetyl-CoA dzięki enzymowi liazy MMC. W tym momencie uwalniany jest pirogronian, podczas gdy Acetyl-CoA jest ponownie wykorzystywany i karboksylowany ponownie w Malonyl-coa, odtwarzając w ten sposób cykl.

19 to całkowite reakcje zachodzące w rowerze 3-hydroksypropionianowym, a 13 to stosowane enzymy wielofunkcyjne. Wielofunkcyjność tych enzymów jest ważną cechą tego szlaku, która w ten sposób umożliwia wiązanie 3 cząsteczek wodorowęglanu.

Jest to bardzo kosztowny sposób: 7 cząsteczek ATP jest używanych do syntezy nowego pirogronianu i 3 ATP do triozy fosforanowej.

Ważną cechą tego cyklu jest to, że pozwala na współasymilację wielu związków, dzięki czemu jest odpowiedni dla organizmów miksotroficznych .

Dwa inne cykle związane z cyklem 3-hydroksypropionianowym

Odkryto, że wariant cyklu 3-hydroksypropionianowego działa w tlenowym ekstremalnie termoacidofilnym archeonie Metallosphaera sedula . Ten szlak nazywa się cyklem 3-hydroksypropionianu/4-hydroksymaślanu.

Jeszcze innym wariantem cyklu 3-hydroksypropionianowego jest cykl dikarboksylanowy/4-hydroksymaślanowy. Został odkryty w archeonach beztlenowych. Zaproponowano ją w 2008 roku dla hipertermofilnego archeona Ignicoccus hospitalis .

Chemosynteza

Chemosynteza jest asymilacja węgla napędzany energią otrzymanego przez utlenianie substancje nieorganiczne (na przykład wodór gazowy lub siarkowodór ), a nie przed światłem słonecznym. Bakterie utleniające siarkę i wodór często stosują cykl Calvina lub redukcyjny cykl kwasu cytrynowego.

Ścieżki nieautotroficzne

Chociaż prawie wszystkie heterotrofy nie mogą syntetyzować kompletnych cząsteczek organicznych z dwutlenku węgla, część dwutlenku węgla jest włączana do ich metabolizmu. W szczególności karboksylaza pirogronianowa zużywa dwutlenek węgla (jako jony wodorowęglanowe) w ramach glukoneogenezy , a dwutlenek węgla jest zużywany w różnych reakcjach anaplerotycznych . Ostatnio również 6-fosfoglukonian dehydrogenazy wykazano katalizują redukcyjnego karboksylacji z 5-fosforanu rybulozy z 6-fosfoglukonian w E. coli pod zwiększonym CO ₂ stężeniach. Biorąc pod uwagę stężenie CO ₂ w środowisku E. coli (np. w jelitach ssaków), reakcja ta może zachodzić również naturalnie. W przyszłości ta właściwość może zostać wykorzystana do projektowania syntetycznych tras wiązania węgla.

Dyskryminacja izotopów węgla

Niektóre karboksylazy , zwłaszcza RuBisCO , preferencyjnie wiążą lżejszy stabilny w węglu izotop 12 w porównaniu z cięższym węglem 13 . Jest to znane jako dyskryminacja izotopów węgla i powoduje, że stosunek węgla-12 do węgla-13 w roślinie jest wyższy niż w wolnym powietrzu. Pomiar tego wskaźnika jest ważny w ocenie efektywności wykorzystania wody w roślinach, a także w ocenie możliwych lub prawdopodobnych źródeł węgla w badaniach globalnego obiegu węgla.

Zobacz też

• Wiązanie azotu
• Cykl tlenowy

Bibliografia

Dalsza lektura