El camino de Wood-Ljungdal

La vía de Wood-Ljungdal , la vía reductora de acetil-CoA [1] es una vía metabólica que consiste en una serie de reacciones bioquímicas utilizadas por algunas bacterias anaerobias quimiolitoautotróficas ( acetógenos en el proceso de acetogénesis ) y arqueas - metanógenos en el proceso ( metanogénesis ) para fijar CO 2 y obtener energía. Esta vía permite que los organismos utilicen hidrógeno como donante de electrones y dióxido de carbono  como aceptor y bloque de construcción para la biosíntesis de moléculas orgánicas.

Esta vía describe la producción autótrofa de una molécula de acetil-CoA a partir de dos moléculas de CO 2 utilizando coenzimas y enzimas con centros que contienen metales como aceptores de CO 2 [2] [3] [4] [5] . La reacción total del camino Wood-Ljungdal: va con la liberación de energía ΔG 0' = -59.2 kJ/mol [6] . Esta energía es suficiente para bombear un par de iones a través de la membrana y crear un gradiente electroquímico, pero no lo suficiente para la fosforilación del sustrato [7] .

Dos moléculas de CO2 se reducen de forma independiente, en diferentes ramas (carbonilo y metilo) de la vía Wood-Ljungdal. La rama metilo incluye una secuencia de reacciones que conduce a la reducción de CO 2 al grupo metilo -CH 3 . El grupo metilo se une al tetrahidrofolato (FH 4 ) en las bacterias y al metanofurano (MFR) y la tetrahidrometanopterina (H 4 MPT) en las arqueas como coenzimas portadoras. La parte carbonilo de la ruta implica la reducción de la segunda molécula de CO2 a un grupo carbonilo (-CO) unido a la enzima CO-deshidrogenasa.que cataliza esta reacción. El grupo metilo luego se combina con un grupo carbonilo y la coenzima A para formar una molécula de acetil-CoA. En esto interviene una enzima especial: la acetil-CoA sintetasa.[1] [8] . En los microorganismos, pueden representarse como dos enzimas separadas o como un complejo enzimático bifuncional que combina ambas actividades. La enzima clave de la vía (CO-deshidrogenasa/acetil-CoA sintasa) puede constituir una proporción significativa de la proteína celular soluble total (p. ej., del 6 al 9% en Moorella thermoacetica ) [9] . La CO-deshidrogenasa/acetil-CoA sintasa tiene un origen común en todos los procariotas que utilizan esta vía [10] .

Una característica de esta vía es la producción de una gran cantidad de ácido acético como subproducto, que no se utiliza y se excreta de la célula al exterior. .

Historial de descubrimientos

Esta vía lleva el nombre de dos investigadores, Harland G. Wood y Lars G. Ljungdahl, quienes descubrieron la mayoría de las propiedades enzimológicas de la bacteria acetogénica modelo Moorella thermoacetica . Más tarde fue reclasificado bajo el nombre de Clostridium thermoaceticum [11] .

Prevalencia

La vía de Wood-Ljungdal ocurre solo en procariotas , por ejemplo, en arqueas metanogénicas hidrogenotróficas [12] y bacterias homoacetogénicas como clostridios [13] , planctomicetos oxidantes de amonio [14] , algunas bacterias reductoras de sulfato Desulfobacterium sp. , Deltaproteobacteria [15] y arqueas autótrofas Archaeoglobales ( Euryarchaeota ) [16] [17] . Por lo tanto, esta vía está presente solo en anaerobios estrictos. Esto se debe a la alta sensibilidad de las enzimas de esta vía y sus cofactores al oxígeno. Esto también se debe a la alta demanda de iones metálicos (Mo, o W, Co, Ni y Fe), que se encuentran en estado disuelto en agua, principalmente en estado de baja oxidación (es decir, en condiciones anaeróbicas sin acceso a oxígeno). Así, las restricciones en la disponibilidad de metales, cofactores y la sensibilidad al oxígeno determinan el uso de esta vía en un número limitado de nichos ecológicos, a pesar de su eficiencia energética.

La vía reductora de acetil-CoA funciona tan bien en los psicrófilos como en los hipertermófilos . Se conoce su funcionamiento a temperaturas lo más altas posible para la reproducción celular ( Methanopyrus kandlery ; 122°C) [18] .

Variaciones

Aunque el esquema general de la ruta es conservador, en arqueas y bacterias se utilizan diferentes transportadores C1, cofactores, transportadores de electrones y enzimas.19 Se conocen muchas variantes de esta ruta.

  1. Por ejemplo, en la etapa inicial, se puede formar formiato libre, o CO, o un grupo formilo asociado con la coenzima.
  2. El tetrahidrofolato o la tetrahidrometanopterina se utilizan como diversas coenzimas de transferencia C1. Tanto el CO 2 como varios compuestos C1 exógenos (CO, formiato, formaldehído, metanol) o compuestos que contienen un grupo metilo unido a través del átomo O, N o S (metilamina, metil mercaptano y ésteres O-aromáticos simples y complejos). En este caso, se produce la desmetilación dependiente de tetrahidrofolato de dichos ésteres metílicos, en la que se libera el alcohol R-OH y el grupo metilo se transfiere a la proteína y luego al ácido tetrahidrofólico. El uso de tales compuestos requiere algunas enzimas adicionales, como metiltransferasas específicas.
  3. Como donante de electrones para la recuperación se pueden utilizar NADH, NADPH, ferredoxina, factor F 420 o H 2 .

Estas diferencias en el tipo de cofactor que difiere entre enzimas y especies microbianas permite explicar algunas de las diferencias observadas en productividad y tasa de crecimiento.

Vía inversa (oxidativa) de acetil-CoA

Todas las reacciones de la vía reductora de acetil-CoA son reversibles. La vía de Wood-Ljungdahl se utiliza a la inversa en el metabolismo:

  1. bacterias reductoras de sulfato . En este caso, los electrones tomados de las moléculas orgánicas se transfieren a través de acetil-CoA a NADH, el acetil-CoA se oxida a CO 2 [20] .
  2. Homoacetógenos [13] .
  3. Con la descomposición del acetato en CO 2 y CH 4 en bacterias metanogénicas acetoclásticas.
  4. En metilotrofos anaerobios utilizando ésteres metílicos.
  5. Las bacterias sintróficas Clostridium ultunece y Thermoacetogenium phaeum oxidan el acetato a CO 2 y H 2 en asociación con el consumo de sulfidógenos o metanógenos. La oxidación del acetato a CO 2 y H 2 es una reacción endergónica (∆G 0' =+107,1 kJ/mol de acetato), y es posible que ocurra a una presión parcial de hidrógeno muy baja. Esto se vuelve posible cuando el compañero en el par sintrófico consume el hidrógeno formado durante la oxidación del acetato.

Diferencias con otras vías de fijación de carbono

  1. A diferencia del ciclo de Krebs inverso y el ciclo de Calvin , la vía reductora de acetil-CoA es lineal y no cíclica.
  1. A diferencia de otras vías de fijación de carbono, la vía Wood-Ljungdahl se puede invertir para obtener equivalentes reductores de compuestos orgánicos durante el crecimiento organoheterótrofo [21] [15] [22]
  1. A diferencia de otras vías de fijación de carbono, la vía reductora de Wood-Ljungdahl se puede utilizar no solo para la fijación, sino también para el almacenamiento de energía, mediante la formación de un gradiente electroquímico de hidrógeno [23] o sodio a través de la membrana [24] [4] [25] [26 ] [27] [28] . El gradiente creado es consumido por la ATPasa para la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato [29] .

Importancia evolutiva

Actualmente se están discutiendo activamente las hipótesis de que los primeros organismos vivos en la tierra fueron quimiolitoautótrofos capaces de sintetizar todos o la mayoría de sus compuestos orgánicos a partir de CO 2 utilizando H 2 u otro donante de electrones inorgánico como agente reductor [30] . Los metanógenos que utilizan esta vía (o los ancestros de los metanógenos) pueden haber sido los primeros organismos autótrofos [31] [32] . Dado que la vida se originó en condiciones anoxigénicas, la vía de la acetil-CoA, o una muy similar, puede ser el primer proceso utilizado para la fijación autótrofa de CO2 [33] [34] . Estudios recientes de los genomas de varias bacterias y arqueas sugieren que el último ancestro común universal (LUCA) usó la vía Wood-Ljungdahl en los respiraderos hidrotermales [35] . Las reconstrucciones filogenéticas [36] , así como los experimentos químicos, sugieren que esta vía podría haberse utilizado incluso antes de la aparición de la vida [37] . No está claro si el propósito original de usar esta vía fue para la asimilación de carbono (reducción y fijación de carbono ) o en la oxidación de acetato. Un estudio filogenético de la acetil-CoA sintetasa muestra que los microorganismos (acetógenos y metanógenos) que tienen esta enzima o enzimas estrechamente relacionadas con ella tienen un ancestro común [38] .

Véase también

Notas

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Literatura