Обратный цикл Кребса
Обратный цикл Кребса (также известный как обратный цикл трикарбоновых кислот , обратный цикл ТКК , или обратный цикл лимонной кислоты , или восстановительный цикл трикарбоновых кислот , или восстановительный цикл ТКК ) представляет собой последовательность химических реакций , которые используют некоторые бактерии и археи. [ 1 ] производить соединения углерода из углекислого газа и воды путем использования энергоемких восстановителей в качестве доноров электронов.
Реакция представляет собой цикл лимонной кислоты обратный . Если в цикле Кребса окисляются углеводы до CO 2 и воды, то в обратном цикле CO 2 и H 2 O используются для образования углеродных соединений. Этот процесс используется некоторыми бактериями (например, Aquificota ) для синтеза соединений углерода, иногда используя водород , сульфид или тиосульфат в качестве доноров электронов . [ 2 ] [ 3 ] Этот процесс можно рассматривать как альтернативу фиксации неорганического углерода в восстановительном пентозофосфатном цикле , который происходит у самых разных микробов и высших организмов.
Отличия от цикла Кребса
[ редактировать ]В отличие от окислительного цикла лимонной кислоты, обратный или восстановительный цикл имеет несколько ключевых отличий. Существует три фермента, специфичных для восстановительного цикла лимонной кислоты: цитратлиаза , фумаратредуктаза и α-кетоглутаратсинтаза . [ нужна ссылка ]
Расщепление лимонной кислоты на оксалоацетат и ацетат катализируется цитратлиазой , а не обратной реакцией цитратсинтазы . [ 4 ] Сукцинатдегидрогеназа заменяется фумаратредуктазой , а α-кетоглутаратсинтаза заменяет α-кетоглутаратдегидрогеназу . [ нужна ссылка ]
Превращение сукцината в 2-оксоглутарат также происходит по-другому. В окислительной реакции этот этап сопровождается восстановлением НАДН . Однако окисление 2-оксоглутарата до сукцината настолько энергетически выгодно, что НАДН не обладает восстановительной способностью, чтобы вызвать обратную реакцию. В цикле rTCA в этой реакции должен использоваться восстановленный низкопотенциальный ферредоксин . [ 5 ]
Актуальность в молодости
[ редактировать ]Реакция является возможным кандидатом на пребиотические раннеземные состояния и поэтому представляет интерес для исследования происхождения жизни . Было обнаружено, что некоторые непоследовательные стадии цикла могут катализироваться минералами посредством фотохимии . [ 6 ] в то время как целые двух- и трехступенчатые последовательности могут стимулироваться металлов, ионами таких как железо (в качестве восстановителей ), в кислых условиях. Кроме того, эти организмы, подвергающиеся фотохимии, могут использовать и используют цикл лимонной кислоты. [ 2 ] Однако условия чрезвычайно суровы и требуют 1 М соляной или 1 М серной кислоты и сильного нагрева до 80–140 °С. [ 7 ]
Наряду с этими возможностями цикла rTCA, вносящими вклад в раннюю жизнь и биомолекулы , считается, что цикл rTCA не мог бы быть завершен без использования ферментов. Кинетические как и термодинамические параметры восстановления высокоокисленных частиц, ускоряющие цикл rTCA, по-видимому, маловероятны без необходимого действия биологических катализаторов, известных ферменты . Скорость некоторых реакций цикла rTCA, вероятно, была бы слишком низкой, чтобы внести существенный вклад в формирование жизни на Земле без ферментов. Учитывая термодинамику цикла rTCA, увеличение свободной энергии Гиббса , передаваемой от продукта к реагенту, сделало бы пирофосфат маловероятным источником энергии для превращения пирувата в оксалоацетат, поскольку реакция слишком эндоэргична . [ 8 ] Однако предполагается, что неферментативный предшественник цикла Кребса, глиоксилатного цикла и обратного цикла Кребса мог возникнуть в результате взаимодействия реакций окисления и восстановления. Более позднее использование карбоксилирования с использованием АТФ могло привести к возникновению частей обратного цикла Кребса. [ 9 ]
Предполагается, что обратный цикл Кребса был неполным даже у последнего универсального общего предка . [ 10 ] [ 11 ] Многие реакции обратного цикла Кребса, включая тиоэтерификацию и гидролиз, могли катализироваться сульфидными железосодержащими минералами в глубоководных щелочно-гидротермальных полостях. [ 12 ] Совсем недавно было показано, что водные микрокапли способствуют реакциям восстановительного карбоксилирования в обратном цикле Кребса. [ 13 ]
Медицинская значимость
[ редактировать ]Предполагается, что обратный цикл Кребса играет важную роль в патофизиологии меланомы . Известно, что опухоли меланомы изменяют нормальные метаболические пути, чтобы утилизировать отходы. Эти метаболические адаптации помогают опухоли адаптироваться к своим метаболическим потребностям. Наиболее известной адаптацией является эффект Варбурга , при котором опухоли увеличивают поглощение и использование глюкозы . Глютамин является одним из известных веществ, которые используются в обратном цикле Кребса для производства ацетил-КоА. [ 14 ] Этот тип митохондриальной активности может обеспечить новый способ выявления и воздействия на клетки, вызывающие рак. [ 15 ]
Микробиологическое использование обратного цикла Кребса
[ редактировать ]Thiomicrospira denitrificans , Candidatus Arcobacter и Chlorobaculum tepidum Было показано, что используют цикл rTCA для превращения CO 2 в соединения углерода. Способность этих бактерий, среди прочих, использовать цикл rTCA, подтверждает идею о том, что они произошли от предковой протеобактерии и что другие организмы, использующие этот цикл, гораздо более многочисленны, чем считалось ранее. [ 16 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гарритано А.Н., Сонг В., Томас Т. (4 октября 2022 г.). «Пути фиксации углерода на бактериальном и архейном древе жизни» . ПНАС Нексус . 1 (5) пгак226. doi : 10.1093/pnasnexus/pgac226 . ПМК 9802188 . ПМИД 36712370 .
- ^ Jump up to: а б Эванс MC, Бьюкенен BB, Арнон DI (апрель 1966 г.). «Новый ферредоксин-зависимый цикл восстановления углерода в фотосинтезирующей бактерии» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 55 (4): 928–934. Бибкод : 1966PNAS...55..928E . дои : 10.1073/pnas.55.4.928 . ПМК 224252 . ПМИД 5219700 .
- ^ Бьюкенен Б.Б., Арнон Д.И. (1990). «Обратный цикл КРЕБСА в фотосинтезе: наконец-то консенсус». Исследования фотосинтеза . 24 : 47–53. дои : 10.1007/BF00032643 . ПМИД 11540925 . S2CID 2753977 .
- ^ Бар-Эвен А., Нур Э., Майло Р. (март 2012 г.). «Обзор путей фиксации углерода через количественную призму» . Журнал экспериментальной ботаники . 63 (6): 2325–2342. дои : 10.1093/jxb/err417 . ПМИД 22200662 .
- ^ Бар-Эвен А., Нур Э., Майло Р. (март 2012 г.). «Обзор путей фиксации углерода через количественную призму» . Журнал экспериментальной ботаники . 63 (6): 2325–2342. дои : 10.1093/jxb/err417 . ПМИД 22200662 .
- ^ Чжан XV, Мартин С.Т. (декабрь 2006 г.). «Управление частями цикла Кребса в обратном направлении посредством минеральной фотохимии». Журнал Американского химического общества . 128 (50): 16032–16033. дои : 10.1021/ja066103k . ПМИД 17165745 .
- ^ Муховска К.Б., Варма С.Дж., Шевалло-Беру Э., Летюилье-Карл Л., Ли Г., Моран Дж. (ноябрь 2017 г.). «Металлы способствуют последовательности обратного цикла Кребса» . Экология и эволюция природы . 1 (11): 1716–1721. дои : 10.1038/s41559-017-0311-7 . ПМЦ 5659384 . ПМИД 28970480 .
- ^ Росс Д.С. (февраль 2007 г.). «Жизнеспособность неферментативного восстановительного цикла лимонной кислоты - кинетика и термохимия». Происхождение жизни и эволюция биосферы . 37 (1): 61–65. Бибкод : 2007ОЛЕВ...37...61Р . дои : 10.1007/s11084-006-9017-6 . ПМИД 17136437 . S2CID 2208326 .
- ^ Муховска, Камила Б.; Варма, Шриджит Дж.; Моран, Джозеф (1 мая 2019 г.). «Синтез и распад универсальных метаболических предшественников, которым способствует железо» . Природа . 569 (7754): 104–107. Бибкод : 2019Natur.569..104M . дои : 10.1038/s41586-019-1151-1 . ISSN 1476-4687 . ПМК 6517266 . ПМИД 31043728 .
- ^ Харрисон С.А., Палмейра Р.Н., Халперн А., Лейн Н (ноябрь 2022 г.). «Биофизическая основа возникновения генетического кода в протоклетках» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 1863 (8): 148597. doi : 10.1016/j.bbabio.2022.148597 . PMID 35868450 .
- ^ Муховска К.Б., Варма С.Дж., Моран Дж. (август 2020 г.). «Неферментативные метаболические реакции и происхождение жизни» (PDF) . Химические обзоры . 120 (15): 7708–7744. doi : 10.1021/acs.chemrev.0c00191 . ПМИД 32687326 . S2CID 220671580 .
- ^ Акбари А., Палссон Б.О. (май 2023 г.). «Метаболический гомеостаз и рост абиотических клеток» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 120 (19): e2300687120. Бибкод : 2023PNAS..12000687A . дои : 10.1073/pnas.2300687120 . ПМЦ 10175716 . ПМИД 37126695 .
- ^ Джу, Юн; Чжан, Хун; Цзян, Яньсяо; Ван, Вэньсинь; Кан, Гуанфэн; Ю, Кай; Ван, Сяофэй; Лю, Цзилинь; Цзян, Цзе (07 сентября 2023 г.). «Водные микрокапли способствуют образованию связей C–C и последовательностей в обратном цикле трикарбоновых кислот» . Экология природы и эволюция : 1–11. дои : 10.1038/s41559-023-02193-8 . ISSN 2397-334X . ПМИД 37679455 . S2CID 261609019 .
- ^ Филипп Ф.В., Скотт Д.А., Ронай З.А., Остерман А.Л., Смит Дж.В. (май 2012 г.). «Обратный поток цикла ТСА через изоцитратдегидрогеназы 1 и 2 необходим для липогенеза в клетках гипоксической меланомы» . Исследование пигментных клеток и меланомы . 25 (3): 375–383. дои : 10.1111/j.1755-148X.2012.00989.x . ПМЦ 3329592 . ПМИД 22360810 .
- ^ Wise DR, Ward PS, Shay JE, Cross JR, Gruber JJ, Sachdeva UM и др. (декабрь 2011 г.). «Гипоксия способствует изоцитратдегидрогеназно-зависимому карбоксилированию α-кетоглутарата в цитрат, чтобы поддержать рост и жизнеспособность клеток» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (49): 19611–19616. Бибкод : 2011PNAS..10819611W . дои : 10.1073/pnas.1117773108 . ПМК 3241793 . ПМИД 22106302 .
- ^ Хюглер М., Вирсен К.О., Фукс Г., Тейлор К.Д., Зиверт С.М. (май 2005 г.). «Доказательства автотрофной фиксации CO2 посредством восстановительного цикла трикарбоновых кислот членами эпсилон-подразделения протеобактерий» . Журнал бактериологии . 187 (9): 3020–3027. дои : 10.1128/JB.187.9.3020-3027.2005 . ПМК 1082812 . ПМИД 15838028 .