Обратный цикл Кребса
Восстановительный/обратный цикл TCA (цикл rTCA). Показаны все реагенты, промежуточные соединения и продукты этого цикла.

Обратный цикл Кребса (также известный как обратный цикл трикарбоновых кислот , обратный цикл трикарбоновых кислот , обратный цикл лимонной кислоты , восстановительный цикл трикарбоновых кислот или восстановительный цикл трикарбоновых кислот ) представляет собой последовательность химических реакций , которые используются некоторыми бактериями и археями [1] для получения углеродных соединений из углекислого газа и воды с использованием богатых энергией восстановителей в качестве доноров электронов.

Реакция представляет собой цикл лимонной кислоты, запущенный в обратном порядке. В то время как цикл Кребса берет углеводы и окисляет их до CO2 и воды, обратный цикл берет CO2 и H2O для создания углеродных соединений. Этот процесс используется некоторыми бактериями (например, Aquificota ) для синтеза углеродных соединений, иногда используя водород , сульфид или тиосульфат в качестве доноров электронов . [2] [3] Этот процесс можно рассматривать как альтернативу фиксации неорганического углерода в цикле Кальвина , который происходит у самых разных микробов и высших организмов.

Отличия от цикла Кребса

В отличие от окислительного цикла лимонной кислоты, обратный или восстановительный цикл имеет несколько ключевых отличий. Существуют три фермента, специфичные для восстановительного цикла лимонной кислоты – цитратлиаза , фумаратредуктаза и α-кетоглутаратсинтаза. [ необходима цитата ]

Расщепление лимонной кислоты на оксалоацетат и ацетат катализируется цитратлиазой , а не обратной реакцией цитратсинтазы . [ 4] Сукцинатдегидрогеназа заменяется фумаратредуктазой , а α-кетоглутаратсинтаза заменяет α-кетоглутаратдегидрогеназу . [ требуется цитата ]

Превращение сукцината в 2-оксоглутарат также отличается. В окислительной реакции этот шаг сопряжен с восстановлением NADH . Однако окисление 2-оксоглутарата в сукцинат настолько энергетически выгодно, что у NADH отсутствует восстановительная способность для запуска обратной реакции. В цикле rTCA эта реакция должна использовать восстановленный ферредоксин с низким потенциалом . [5]

Соответствие раннему периоду жизни

Реакция является возможным кандидатом на пребиотические условия ранней Земли и, следовательно, представляет интерес для исследования происхождения жизни . Было обнаружено, что некоторые непоследовательные этапы цикла могут катализироваться минералами посредством фотохимии , [6] в то время как целые двух- и трехэтапные последовательности могут быть промотированы ионами металлов , такими как железо (в качестве восстановителей ) в кислых условиях. Кроме того, эти организмы, которые подвергаются фотохимии, могут использовать и используют цикл лимонной кислоты. [2] Однако условия чрезвычайно суровые и требуют 1 М соляной или 1 М серной кислоты и сильного нагревания при 80–140 °C. [7]

Наряду с этими возможностями цикла rTCA, способствующими ранней жизни и биомолекулам , считается, что цикл rTCA не мог бы быть завершен без использования ферментов. Кинетические и термодинамические параметры восстановления высокоокисленных видов для подталкивания цикла rTCA, по-видимому, маловероятны без необходимого действия биологических катализаторов, известных как ферменты . Скорость некоторых реакций в цикле rTCA, вероятно, была бы слишком медленной, чтобы внести значительный вклад в формирование жизни на Земле без ферментов. Принимая во внимание термодинамику цикла rTCA, увеличение свободной энергии Гиббса, переходящей от продукта к реагенту, сделало бы пирофосфат маловероятным источником энергии для превращения пирувата в оксалоацетат, поскольку реакция слишком эндоэргическая . [8] Однако предполагается, что неферментативный предшественник цикла Кребса, глиоксилатного цикла и обратного цикла Кребса мог возникнуть, где кооперировались реакции окисления и восстановления. Более позднее использование карбоксилирования с использованием АТФ могло привести к появлению 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 железосульфидными минералами в глубоководных щелочных гидротермальных полостях. [12] Совсем недавно было показано, что водные микрокапли способствуют реакциям восстановительного карбоксилирования в обратном цикле Кребса. [13]

Медицинская значимость

Предполагается, что обратный цикл Кребса играет важную роль в патофизиологии меланомы . Известно, что меланомные опухоли изменяют нормальные метаболические пути для утилизации отходов. Эти метаболические адаптации помогают опухоли адаптироваться к ее метаболическим потребностям. Наиболее известной адаптацией является эффект Варбурга , при котором опухоли увеличивают поглощение и использование глюкозы . Глутамин является одним из известных веществ, которые используются в обратном цикле Кребса для производства ацетил-КоА. [14] Этот тип митохондриальной активности может обеспечить новый способ идентификации и нацеливания клеток, вызывающих рак. [15]

Микробное использование обратного цикла Кребса

Было показано, что Thiomicrospira denitrificans, Candidatus Arcobacter и Chlorobaculum tepidum используют цикл rTCA для превращения CO2 в углеродные соединения. 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]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Garritano AN, Song W, Thomas T (4 октября 2022 г.). «Пути фиксации углерода на бактериальном и архейном древе жизни». PNAS Nexus . 1 (5) pgac226. doi : 10.1093/pnasnexus/pgac226 . PMC  9802188. PMID  36712370 .
  2. ^ ab Evans MC, Buchanan BB, Arnon DI (апрель 1966 г.). «Новый цикл восстановления углерода, зависящий от ферредоксина, в фотосинтетической бактерии». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 55 (4): 928– 934. Bibcode : 1966PNAS ... 55..928E. doi : 10.1073/pnas.55.4.928 . PMC 224252. PMID  5219700. 
  3. ^ Бьюкенен BB, Арнон DI (1990). «Обратный цикл КРЕБСа в фотосинтезе: наконец-то консенсус». Photosynthesis Research . 24 : 47–53 . doi :10.1007/BF00032643. PMID  11540925. S2CID  2753977.
  4. ^ Bar-Even A, Noor E, Milo R (март 2012 г.). «Обзор путей фиксации углерода через количественную линзу». Журнал экспериментальной ботаники . 63 (6): 2325–2342 . doi : 10.1093/jxb/err417 . PMID  22200662.
  5. ^ Bar-Even A, Noor E, Milo R (март 2012 г.). «Обзор путей фиксации углерода через количественную линзу». Журнал экспериментальной ботаники . 63 (6): 2325–2342 . doi : 10.1093/jxb/err417 . PMID  22200662.
  6. ^ Чжан XV, Мартин ST (декабрь 2006 г.). «Движущие части цикла Кребса в обратном направлении через минеральную фотохимию». Журнал Американского химического общества . 128 (50): 16032– 16033. doi :10.1021/ja066103k. PMID  17165745.
  7. ^ Muchowska KB, Varma SJ, Chevallot-Beroux E, Lethuillier-Karl L, Li G, Moran J (ноябрь 2017 г.). «Металлы способствуют последовательностям обратного цикла Кребса». Nature Ecology & Evolution . 1 (11): 1716– 1721. doi :10.1038/s41559-017-0311-7. PMC 5659384 . PMID  28970480. 
  8. ^ Росс Д.С. (февраль 2007 г.). «Жизнеспособность неферментативного восстановительного цикла лимонной кислоты — кинетика и термохимия». Происхождение жизни и эволюция биосферы . 37 (1): 61– 65. Bibcode :2007OLEB...37...61R. doi :10.1007/s11084-006-9017-6. PMID  17136437. S2CID  2208326.
  9. ^ Муховска, Камила Б.; Варма, Шриджит Дж.; Моран, Джозеф (1 мая 2019 г.). «Синтез и расщепление универсальных метаболических предшественников, стимулируемых железом». Nature . 569 (7754): 104– 107. Bibcode :2019Natur.569..104M. doi :10.1038/s41586-019-1151-1. ISSN  1476-4687. PMC 6517266 . PMID  31043728. 
  10. ^ Harrison SA, Palmeira RN, Halpern A, Lane N (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.
  11. ^ Muchowska KB, Varma SJ, Moran J (август 2020 г.). «Неферментативные метаболические реакции и происхождение жизни» (PDF) . Chemical Reviews . 120 (15): 7708– 7744. doi :10.1021/acs.chemrev.0c00191. PMID  32687326. S2CID  220671580.
  12. ^ Akbari A, Palsson BO (май 2023 г.). «Метаболический гомеостаз и рост в абиотических клетках». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 120 (19): e2300687120. Bibcode : 2023PNAS..12000687A. doi : 10.1073/pnas.2300687120. PMC 10175716. PMID  37126695 . 
  13. ^ Цзюй, Юнь; Чжан, Хун; Цзян, Яньсяо; Ван, Вэньсинь; Кан, Гуанфэн; Юй, Кай; Ван, Сяофэй; Лю, Цзилинь; Цзян, Цзе (2023-09-07). «Водные микрокапли способствуют образованию связей C–C и последовательностям в обратном цикле трикарбоновых кислот». Nature Ecology & Evolution : 1– 11. doi :10.1038/s41559-023-02193-8. ISSN  2397-334X. PMID  37679455. S2CID  261609019.
  14. ^ Filipp FV, Scott DA, Ronai ZA, Osterman AL, Smith JW (май 2012). «Обратный поток цикла TCA через изоцитратдегидрогеназы 1 и 2 необходим для липогенеза в гипоксических клетках меланомы». Pigment Cell & Melanoma Research . 25 (3): 375– 383. doi :10.1111/j.1755-148X.2012.00989.x. PMC 3329592 . PMID  22360810. 
  15. ^ Wise DR, Ward PS, Shay JE, Cross JR, Gruber JJ, Sachdeva UM и др. (декабрь 2011 г.). «Гипоксия способствует зависимому от изоцитратдегидрогеназы карбоксилированию α-кетоглутарата в цитрат для поддержки роста и жизнеспособности клеток». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (49): 19611– 19616. Bibcode : 2011PNAS..10819611W. doi : 10.1073/pnas.1117773108 . PMC 3241793. PMID  22106302 . 
  16. ^ Hügler M, Wirsen CO, Fuchs G, Taylor CD, Sievert SM (май 2005 г.). «Доказательства автотрофной фиксации CO2 через восстановительный цикл трикарбоновых кислот членами эпсилон-подразделения протеобактерий». Журнал бактериологии . 187 (9): 3020–3027 . doi :10.1128/JB.187.9.3020-3027.2005. PMC 1082812. PMID  15838028 . 
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Reverse_Krebs_cycle&oldid=1268557354"