تثبيت الكربون البيولوجي

The Calvin cycle accounts for 90% of biological carbon fixation. Consuming adenosine triphosphate (ATP) and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH), the Calvin cycle in plants accounts for the predominance of carbon fixation on land. In algae and cyanobacteria, it accounts for the dominance of carbon fixation in the oceans. The Calvin cycle converts carbon dioxide into sugar, as triose phosphate (TP), which is glyceraldehyde 3-phosphate (GAP) together with dihydroxyacetone phosphate (DHAP):^[10]

3 CO₂ + 12 e⁻ + 12 H⁺ + P_i → TP + 4 H₂O

An alternative perspective accounts for NADPH (source of e⁻) and ATP:

3 CO₂ + 6 NADPH + 6 H⁺ + 9 ATP + 5 H₂O → TP + 6 NADP⁺ + 9 ADP + 8 P_i

The formula for inorganic phosphate (P_i) is HOPO₃²⁻ + 2 H⁺.Formulas for triose and TP are C₂H₃O₂-CH₂OH and C₂H₃O₂-CH₂OPO₃²⁻ + 2 H⁺.

دورة كريبس العكسية ، والمعروفة أيضًا بدورة حمض الستريك العكسية (rTCA) أو دورة حمض الستريك المختزلة ، هي بديل لدورة كالفن-بنسون القياسية لتثبيت الكربون. وقد وُجدت في البكتيريا اللاهوائية الإجبارية أو البكتيريا الهوائية الدقيقة (مثل بكتيريا Aquificales ) والعتائق اللاهوائية . اكتشفها إيفانز وبوكانان وأرنون عام 1966 أثناء عملهم على بكتيريا الكبريت الخضراء الضوئية Chlorobium limicola . ^{[ 11 ]} وهي تحديدًا إحدى أكثر المسارات استخدامًا في الفتحات الحرارية المائية بواسطة بكتيريا Campylobacterota . ^{[ 12 ]} تسمح هذه الخاصية بالإنتاج الأولي في البيئات المظلمة للمحيطات ، أو ما يُعرف بـ "الإنتاج الأولي في الظلام". ^{[ 13 ]} وبدونها، لن يكون هناك إنتاج أولي في البيئات المظلمة، مما سيؤدي إلى بيئات خالية من الحياة.

تتضمن هذه الدورة التخليق الحيوي لأسيتيل- CoA من جزيئين من _ثاني أكسيد الكربون . ^{[ 14 ]} الخطوات الرئيسية لدورة كريبس العكسية هي:

• تحويل الأوكسالوأسيتات إلى مالات ، باستخدام NADH + H ⁺

  أوكسالوسيتات + NADH/H ⁺ → مالات + NAD ⁺

• تحويل الفومارات إلى سكسينات ، بواسطة إنزيم مختزل مؤكسد، وهو إنزيم مختزل الفومارات

  فومارات + فاد ₂ ⇌ سكسينات + فاد

• تحويل السكسينات إلى سكسينيل-CoA ، وهي خطوة تعتمد على ATP

  سكسينات + ATP + CoA → سكسينيل-CoA + ADP + Pi

• تحويل سكسينيل-CoA إلى ألفا-كيتوغلوتارات ، باستخدام جزيء واحد من ثاني أكسيد _{الكربون}

  Succinyl-CoA + CO ₂ + Fd _(red) → alpha-ketoglutarate + Fd _(ox)

• يتحول ألفا-كيتوغلوتارات إلى إيزوسيترات ، باستخدام NADPH + H ⁺ وجزيء آخر من CO ₂

  ألفا-كيتوغلوتارات + _ثاني أكسيد الكربون + NAD(P)H/H ⁺ → إيزوسيترات + NAD(P) ⁺

• يتحول السترات إلى أوكسالوأسيتات وأسيتيل-CoA ، وهذه خطوة تعتمد على ATP، والإنزيم الرئيسي هو لياز السترات ATP

  سترات + ATP + مرافق الإنزيم أ → أوكسالوأسيتات + أسيتيل مرافق الإنزيم أ + ADP + فوسفات غير عضوي

هذا المسار دوري بسبب تجديد الأوكسالوأسيتات. ^{[ 15 ]}

تتحول بكتيريا Gammaproteobacteria و Riftia pachyptila من دورة Calvin ^- _{Benson إلى دورة rTCA} استجابة لتركيزات H2S . [ ^{16 ]}

يستخدم مسار أسيتيل مرافق الإنزيم أ المختزل (CoA)، المعروف أيضًا باسم مسار وود-ليونغدال، ثاني أكسيد الكربون _{كمستقبل} للإلكترونات ومصدر للكربون، والهيدروجين _كمانح للإلكترونات لتكوين حمض الأسيتيك. ^{[ 17 ]} ينتشر هذا الأيض على نطاق واسع ضمن شعبة العصيات ، وخاصة في المطثيات . ^{[ 18 ]}

يستخدم هذا المسار أيضًا من قِبَل الميثانوجينات ، والتي تنتمي في الغالب إلى شعبة Euryarchaeota ، والعديد من الكائنات الكيميائية ذاتية التغذية اللاهوائية، مثل البكتيريا والعتائق المختزلة للكبريتات. ومن المحتمل أيضًا أن تقوم به رتبة Brocadiales، وهي رتبة من شعبة Planctomycetota التي تؤكسد الأمونيا في الظروف اللاهوائية. ^{[ 14 ] [ 18 ] [ 19 ]} كما يعتمد إنتاج الميثان الهيدروجيني ، الموجود فقط في بعض أنواع العتائق والذي يمثل 80% من إنتاج الميثان العالمي، على مسار أسيتيل مرافق الإنزيم أ المختزل.

إنزيم نازع هيدروجين أول أكسيد الكربون / سينثاز أسيتيل-CoA هو الإنزيم الحساس للأكسجين الذي يسمح باختزال _ثاني أكسيد الكربون إلى أول أكسيد الكربون وتخليق أسيتيل-CoA في العديد من التفاعلات. ^{[ 20 ]}

أحد فروع هذا المسار، وهو فرع الميثيل، متشابه ولكنه غير متجانس بين البكتيريا والعتائق. في هذا الفرع، يحدث اختزال _ثاني أكسيد الكربون إلى بقايا ميثيل مرتبطة بعامل مساعد. المواد الوسيطة هي الفورمات في البكتيريا وفورميل ميثانوفوران في العتائق، كما أن النواقل، وهي رباعي هيدروفولات ورباعي هيدروبترين على التوالي في البكتيريا والعتائق، تختلف أيضًا، مثل الإنزيمات التي تُكوّن مجموعة الميثيل المرتبطة بالعامل المساعد. ^{[ 14 ]}

بخلاف ذلك، فإن فرع الكربونيل متماثل بين المجالين، ويتألف من اختزال جزيء آخر من ثاني أكسيد الكربون _إلى بقايا كربونيل مرتبطة بإنزيم، ويحفزه إنزيم نازع هيدروجين ثاني أكسيد الكربون/سينثاز أسيتيل-CoA. هذا الإنزيم الرئيسي هو أيضًا المحفز لتكوين أسيتيل-CoA انطلاقًا من نواتج التفاعلات السابقة، وهما بقايا الميثيل والكربونيل. ^{[ 20 ]}

لا يتطلب مسار تثبيت الكربون هذا سوى جزيء واحد من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) لإنتاج جزيء واحد من البيروفات، مما يجعل هذه العملية أحد الخيارات الرئيسية للكائنات الكيميائية ذاتية التغذية المحدودة في الطاقة والتي تعيش في ظروف لاهوائية. ^{[ 14 ]}

تُستخدم دورة 3-هيدروكسي بروبيونات، المعروفة أيضًا بدورة 3-HP/ماليل-CoA، والتي اكتُشفت عام 1989 فقط، من قِبل الكائنات الحية الخضراء غير الكبريتية ذاتية التغذية الضوئية من عائلة الكلوروفليكساسيا ، بما في ذلك الكائن الحي الأكثر استخدامًا لهذه العائلة، وهو الكلوروفليكسوس أورانتيكس، الذي اكتُشفت هذه الدورة ووُثِّقت من خلاله. ^{[ 21 ]} تتكون دورة 3-هيدروكسي بروبيونات من دورتين، واسمها مشتق من 3-هيدروكسي بروبيونات، الذي يُمثل إحدى خصائصها الوسيطة.

تُعدّ الدورة الأولى طريقةً لتخليق الجليوكسيلات . خلال هذه الدورة، يتم تثبيت جزيئين من البيكربونات بفعل إنزيمين: يحفز إنزيم أسيتيل-CoA كاربوكسيلاز عملية الكربوكسيل لأسيتيل-CoA إلى مالونيل-CoA، بينما يحفز إنزيم بروبيونيل-CoA كاربوكسيلاز عملية الكربوكسيل لبروبيونيل-CoA إلى ميثيل مالونيل-CoA. من هذه النقطة، تؤدي سلسلة من التفاعلات إلى تكوين الجليوكسيلات، الذي سيصبح جزءًا من الدورة الثانية. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

في الدورة الثانية، يُعادل الجليوكسيلات تقريبًا مكافئًا واحدًا من بروبيونيل-CoA، مُكَوِّنًا ميثيل مالونيل-CoA. ثم يُحوَّل هذا الأخير، عبر سلسلة من التفاعلات، إلى سيترا ماليل-CoA. يُقسَّم السيترا ماليل-CoA إلى بيروفات وأسيتيل-CoA بفضل إنزيم MMC لياز. يُحرَّر البيروفات عند هذه النقطة، بينما يُعاد استخدام الأسيتيل-CoA ويُكرْبوكْسِل مرة أخرى عند مالونيل-CoA، مُستَكمِلًا بذلك الدورة. ^{[ 24 ]}

تتضمن دورة 3-هيدروكسي بروبيونات 19 تفاعلاً، وتُستخدم فيها 13 إنزيمًا متعدد الوظائف. وتُعدّ تعددية وظائف هذه الإنزيمات سمةً مهمةً لهذا المسار، مما يسمح بتثبيت ثلاث جزيئات من البيكربونات. ^{[ 24 ]}

إنها مسار مكلف: يتم استهلاك 7 جزيئات من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) لتخليق البيروفات الجديد و3 جزيئات من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات لتخليق ثلاثي الفوسفات. ^{[ 23 ]}

من الخصائص المهمة لهذه الدورة أنها تسمح بالاستيعاب المشترك للعديد من المركبات، مما يجعلها مناسبة للكائنات الحية المختلطة التغذية . ^{[ 23 ]}

وُجد أن أحد أشكال دورة 3-هيدروكسي بروبيونات يعمل في الأركيا الهوائية المحبة للحرارة والحموضة الشديدة Metallosphaera sedula . يُطلق على هذا المسار اسم دورة 3-هيدروكسي بروبيونات/4-هيدروكسي بوتيرات (3-HP/4-HB). ^{[ 25 ]}

يُعدّ مسار ثنائي الكربوكسيلات/4-هيدروكسي بوتيرات (DC/4-HB) أحد أشكال دورة 3-هيدروكسي بروبيونات. وقد اكتُشف هذا المسار في العتائق اللاهوائية، واقتُرح في عام 2008 لنوع العتائق المحبة للحرارة الشديدة Ignicoccus hospitalis . ^{[ 26 ]}

يتم تحفيز تثبيت _ثاني أكسيد الكربون بواسطة إنزيمات الكربوكسيلاز/الريدوكتاز من نوع إينويل-CoA. ^{[ 27 ]}