Woodova-Ljungdahlova dráha

Woodova-Ljungdahlova dráha je súbor biochemických reakcií, ktoré využívajú niektoré baktérie a archeóny.Táto dráha týmto organizmom umožňuje využívať vodík (H2) ako donor elektrónov a oxid uhličitý (CO2) ako akceptor elektrónov a ako stavebný kameň pre biosyntézu. Tieto reakcie predstavuje jeden zo spôsobov acetogenézy (tvorby kyseliny octovej mikroorganizmami). Je to jeden zo spôsobov fixácie uhlíka, ale na rozdiel od ostatných dráh táto dráha nie je cyklická. Táto dráha sa takisto označuje ako redukčná dráha acetylkoenzýmu A alebo dráha CO-dehydrogenázy/acetyl-koA syntázy.

Prehľad 
V tejto dráhe sa oxid uhličitý (CO2) redukuje na oxid uhoľnatý (CO) a kyselinu mravčiu alebo priamo na formylovú skupinu. Formylová skupina sa redukuje na metylovú skupinu a potom sa viaže na oxid uhoľnatý a koenzým A, čím vzniká acetylkoenzým A (acetyl-CoA). Redukcie oxidu uhličitého sa v tejto dráhe účastnia dva enzýmy: CO dehydrogenáza a acetyl-CoA syntáza. Prvý z týchto enzýmov katalyzuje redukciu CO2 na CO a druhý z nich katalyzuje naviazanie CO na metyl a koenzým A, čím vzniká acetyl-CoA. 

Acetyl-CoA, ktorý vzniká touto dráhou, sa potom prípadne môže premieňať na pyruvát pôsobením pyruvát feredoxín oxidoreduktázy. Na premenu troch molekúl CO2 na pyruvát stačí celkom jedna molekula ATP. Na vznik triózafosfátu sú potrebné 4-5 ATP, 3-4 NAD(P)H a 2-3 molekuly feredoxínu, čo z tejto dráhy robí najefektívnejšiu dráhu fixácie CO2.

Niektoré anaeróbne baktérie využívajú Woodovu-Ljungdahlovu dráhu v opačnom smere na rozklad acetátu. Napríklad sulfát redukujúce baktérie úplne oxidujú acetát na CO2 a H2 a pomocou toho redukujú sulfát na sulfid. Keď dráha beží v tomto opačnom smere, acetyl-CoA syntáza sa niekedy označuje ako acetyl-CoA dekarbonyláza.

S Woodovou-Ljungdahlovou dráhou by sa nemal zamieňa Wolfeov cyklus, čo je evolučne príbuzná, ale biochemický odlišná dráha, ktorá je prítomná iba v niektorých metanogénnych archeónoch nazývaných metanogény. U týchto anaeróbnych archeónov funguje Wolfeov cyklus ako metanogénna dráha, ktorou sa redukuje CO2 na metán pomocou donorov elektrónov ako sú vodík alebo mravčan. Podobne ako v prípade reverzného Krebsovho cyklu alebo Calvinovho cyklu, Wolfeov cyklus je cyklický, ale Woodova-Ljungdahlova dráha nie je.

Reakcie 
Woodova-Ljungdahlova dráha sa skladá z dvoch častí: redukcie CO2 na metylovú skupinu a syntézy acetyl-CoA. Tieto časti sa v pôvodných článkoch označujú ako východná (anglicky eastern) a západná (anglicky western) vetva.

Redukcia CO2 (východná vetva)

Acetogénne baktérie 
Redukcia CO2 prebieha cyklicky a je prítomná u mnohých organizmov, vrátane človeka. V prvom kroku sa oxid uhličitý mení na kyselinu mravčiu pôsobením formiátdehydrogenázy:

 CO2 + 2 e- + 2 H+ → HCOOH

V druhom kroku sa kyselina mravčia viaže na tetrahydrofolát (THF). Reakciu katalyzuje formyl-H4folát syntetáza, pričom vzniká 10-formyl-THF a v procese dochádza k štiepeniu ATP na ADP a anorganický fosfát:

 THF + HCOOH + ATP → 10-formyl-THF + H2O + ADP + Pi

10-Formyl-THF sa pôsobením cyklohydrolázy mení na 5,10-metenyl-THF:

 10-formyl-THF→ 5,10-metenyl-THF + H2O

V ďalšej reakcii, ktorú katalyzuje metylén-THF dehydrogenáza, sa 5,10-metenyl-THF mení na 5,10-metylén-THF. Ako kofaktor vystupuje NADPH:

 5,10-metenyl-THF + NADPH → 5,10-metylén-THF + NADP+

V predposlednom kroku dráhy dochádza k ďalšej redukcii a 5,10-metylén-THF sa mení na 5-metyl-THF pôsobením metylén-THF reduktázy. Ako kofaktor vystupuje NADH:

 5,10-metylén-THF + NADH →  5-metyl-THF + NAD+ + H+

5-metyl-THF sa u metanogénov znovu redukuje, čím dochádza k odštiepeniu metánu a obnove THF. V prípade Woodovej-Ljungdahlovej dráhy však dochádza k prenosu na kobamid, teda kofaktor, ktorý vo svojej štruktúre viaže ión kobaltu:

 5-metyl-THF + Co+-R → THF + CH3-Co3+-R

Kobalt je viazaný v korinoidovej štruktúre.

Metanogénne baktérie 
V prípade metanogénnych baktérií je proces obdobný, ale namiesto tetrahydrofolátu sa využíva tetrahydrometanopterín.

Syntéza acetyl-CoA (západná vetva) 
Západná vetva Woodovej-Ljungdahlovej dráhy prebieha lineárne a je prítomná len u acetogénov, metanogénov a sulfát redukujúcich baktérií. V prvej reakcii dochádza k redukcii CO2 na CO pôsobením CO dehydrogenázy. Zdrojom elektrónov je feredoxín:

 CO2 + 2 redukovaný feredoxín + 2 H+ → CO + 2 oxidovaný feredoxín + H2O

Druhá reakcia je zložená z celkom štyroch medzikrokov. Všetky medzikroky prebiehajú v aktívnom centre acetyl-CoA syntázy (ACS), kde sú substráty postupne naviazané na ióny kovov a zlučované dokopy. V prvom kroku sa viaže CO, ktorý pochádza z prvej reakcie:

 ACS + CO → ACS-CO

ACS obsahuje ión železa a niklu, ale nie je jasné, na ktorý z týchto atómov sa karbonyl viaže – niektoré štúdie uvádzajú železo, niektoré nikel. V druhom medzikroku dochádza k naviazaniu metylovej skupiny, ktorá pochádza z východnej vetvy Woodovej-Ljungdahlovej dráhy:

 ACS-CO + CH3-Co3+-R → CH3-ACS-CO + Co+-R 

Takisto nie je presne známe, na ktorý ión kovu sa skupina viaže. Následne dochádza k preskupeniu týchto skupín a vzniku acetylovej skupiny:

 CH3-ACS-CO → ACS-COCH3

V poslednom medzikroku sa acetylová skupina prenáša na koenzým A, čím vzniká acetyl-CoA a obnovuje sa ACS:

 ACS-COCH3 + -SCoA → ACS + acetyl-CoA

Evolúcia 
Niektorí autori považujú túto dráhu za počiatok metabolimu, čomu naznačuje aj izotopická analýzy metánu zo vzoriek poblíž horúcich podmorských prameňov. Podľa nej by mohol byť vek tohto metánu až okolo 3,5 miliardy rokov. Rovnako tomu naznačuje genómová analýza.

Spojitosť s abiogenézou 

Bolo navrhnuté, že redukčná acetyl-CoA dráha mohla vzniknúť v hlbokomorských alkalických hydrotermálnych prieduchoch, kde kovové sulfidy a kovy katalyzovali prebiotické reakcie prítomné v tejto dráhe. Nedávne experimenty z roku 2018 sa pokúsili replikovať tieto dráhy, konkrétne redukciu CO2, pričom pri použití prírodného železa ako redukčného činidla pozorovali malé množstvo pyruvátu (<0.03 mM) a ešte menšie množstvo pyruvátu za podmienok prítomných v hydrotermálnych prieduchoch s H2 (10 μM). Joseph Moran a kolegovia tvrdia, že „bolo navrhnuté, že celý alebo čiastočné podoby [reverzného Krebsovho cyklu] mohli byť spojené s acetyl-CoA dráhou v historickej, možno prebiotickej, dráhe na fixáciu uhlíka.“

Posledný spoločný predok 
Štúdia genómov sady baktérií a archeónov v roku 2016 navrhla, že posledný univerzálny spoločný predok (LUCA) všetkých buniek využíval Woodovu-Ljungdahlovu dráhu v hydrotermálnych prieduchoch, ale novšie štúdie rozporujú toto tvrdenie a vravia, že predchádzajúca štúdia mala „nedostatočné vzorky rodín proteínov, čo viedlo k nekompletným fylogenetickým stromom, ktoré nereflektujú evolúciu proteínových rodín.“ Geologické dôkazy a fylogenomické rekonštrukcie metabolických dráh posledných spoločných predkov archeónov a baktérií však podporujú závery, že LUCA bol schopný fixácie CO2 a využíval H2.

Referencie

Ďalšia literatúra

Pozri aj 
 Fixácia uhlíka
 Dehydrogenáza oxidu uhoľnatého
 Fermentácia syngasu
 Metanogenéza

Zdroj 

Metabolické dráhy