Биологическая фиксация углерода , или ассимиляция углерода , — это процесс , посредством которого живые организмы преобразуют неорганический углерод (в частности, углекислый газ ) в органические соединения . Эти органические соединения затем используются для хранения энергии и в качестве структур для других биомолекул . Углерод в основном фиксируется посредством фотосинтеза , но некоторые организмы используют хемосинтез при отсутствии солнечного света . Хемосинтез — это фиксация углерода, осуществляемая за счет химической энергии, а не солнечного света.
Процесс биологической фиксации углерода играет решающую роль в глобальном углеродном цикле, поскольку он служит основным механизмом для удаления CO 2 (углекислого газа) из атмосферы и включения его в живую биомассу. Первичное производство органических соединений позволяет углероду поступать в биосферу . [1] Углерод считается необходимым для жизни как базовый элемент для построения органических соединений. [2] Элемент углерода образует основы биогеохимических циклов (или питательных циклов ) и движет сообществами живых организмов. [2] Понимание биологической фиксации углерода необходимо для понимания динамики экосистем, регулирования климата и устойчивости жизни на Земле. [3]
Организмы, которые растут, фиксируя углерод, такие как большинство растений и водорослей , называются автотрофами . К ним относятся фотоавтотрофы (которые используют солнечный свет) и литоавтотрофы (которые используют неорганическое окисление ). Гетеротрофы , такие как животные и грибы , не способны фиксировать углерод, но способны расти, потребляя углерод, фиксированный автотрофами или другими гетеротрофами.
В настоящее время известно шесть естественных или автотрофных путей фиксации углерода. Это: i) цикл Кальвина-Бенсона-Бассама (цикл Кальвина), ii) обратный цикл Кребса (rTCA), iii) восстановительный ацетил-КоА (путь Вуда-Люнгдаля), iv) цикл 3-гидроксипропионата [3-HP] , v) цикл 3-гидропропионата/4-гидроксибутирата (3-HP/4-HB) и vi) цикл дикарбоксилата/4-гидроксибутирата (DC/4-HB). [1] «Связанный углерод», «восстановленный углерод» и «органический углерод» могут использоваться взаимозаменяемо для обозначения различных органических соединений. [4]
Основной формой фиксированного неорганического углерода является диоксид углерода (CO 2 ). По оценкам, ежегодно в процессе фотосинтеза преобразуется около 250 миллиардов тонн диоксида углерода. Большая часть фиксации происходит в наземной среде, особенно в тропиках. Общее количество фиксированного диоксида углерода намного больше, поскольку около 40% потребляется дыханием после фотосинтеза. [5] [6] Исторически считается, что с момента зарождения жизни было зафиксировано около 2×10 11 миллиардов тонн углерода. [7]
Известно шесть автотрофных путей фиксации углерода: [8] цикл Кальвина, обратный цикл Кребса, восстановительный ацетил-КоА, цикл 3-HP, цикл 3-HP/4-HB и циклы DC/4-HB.
Организмы, в которых обнаружен цикл Кальвина , — это растения, водоросли, цианобактерии , аэробные протеобактерии и пурпурные бактерии. [1] Цикл Кальвина фиксирует углерод в хлоропластах растений и водорослей, а также в цианобактериях . Он также фиксирует углерод в аноксигенном фотосинтезе в одном типе псевдомонадот , называемых пурпурными бактериями , и в некоторых нефототрофных псевдомонадотах. [9]
Из других автотрофных путей два известны только у бактерий ( восстановительный цикл лимонной кислоты и цикл 3-гидроксипропионата ), два — только у архей (два варианта цикла 3-гидроксипропионата) и один — как у бактерий, так и у архей ( восстановительный путь ацетил-КоА ). Бактерии, окисляющие серу и водород, часто используют цикл Кальвина или восстановительный цикл лимонной кислоты. [10]
Цикл Кальвина отвечает за 90% биологической фиксации углерода. Потребляя аденозинтрифосфат (АТФ) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН), цикл Кальвина в растениях отвечает за преобладание фиксации углерода на суше. У водорослей и цианобактерий он отвечает за преобладание фиксации углерода в океанах. Цикл Кальвина преобразует углекислый газ в сахар, как триозофосфат (ТФ), который является глицеральдегид-3-фосфатом (ГАФ) вместе с дигидроксиацетонфосфатом (ДГАФ): [11]
Альтернативная точка зрения объясняет НАДФН (источник е− ) и АТФ:
Формула неорганического фосфата (P i ) — HOPO 3 2− + 2H + . Формулы триозы и TP — C 2 H 3 O 2 -CH 2 OH и C 2 H 3 O 2 -CH 2 OPO 3 2− + 2H +
Обратный цикл Кребса , также известный как обратный цикл TCA (rTCA) или восстановительный цикл лимонной кислоты , является альтернативой стандартному циклу Кальвина-Бенсона для фиксации углерода. Он был обнаружен у строгих анаэробных или микроаэробных бактерий (как Aquificales ) и анаэробных архей . Он был открыт Эвансом, Бьюкененом и Арноном в 1966 году , работая с фотосинтетической зеленой серной бактерией Chlorobium limicola . [12] В частности, это один из наиболее часто используемых путей в гидротермальных источниках Campylobacterota . [13] Эта особенность позволяет осуществлять первичное производство в афатических средах океана , или «темное первичное производство». [14] Без него не было бы первичного производства в афатических средах, что привело бы к появлению мест обитания без жизни.
Цикл включает биосинтез ацетил -КоА из двух молекул CO 2 . [15] Ключевые этапы обратного цикла Кребса:
Этот путь является циклическим из-за регенерации оксалоацетата. [16]
Бактерии Gammaproteobacteria и Riftia pachyptila переключаются с цикла Кальвина-Бенсона на цикл rTCA в ответ на концентрацию H 2 S. [ 17]
Восстановительный путь ацетил-КоА (КоА), также известный как путь Вуда-Льюнгдаля, использует CO2 в качестве акцептора электронов и источника углерода, а H2 в качестве донора электронов для образования уксусной кислоты. [18] Этот метаболизм широко распространен в типе Bacillota , особенно в Clostridia . [19]
Этот путь также используется метаногенами , которые в основном являются Euryarchaeota , и несколькими анаэробными хемолитоавтотрофами, такими как сульфатредуцирующие бактерии и археи. Вероятно, он также выполняется Brocadiales, отрядом Planctomycetota , которые окисляют аммиак в анаэробных условиях. [15] [19] [20] Гидрогенотрофный метаногенез , который встречается только у определенных архей и составляет 80% глобального метаногенеза, также основан на восстановительном пути ацетил-КоА.
Дегидрогеназа оксида углерода / ацетил -КоА-синтаза – это чувствительный к кислороду фермент, который позволяет восстанавливать CO2 до CO и синтезировать ацетил-КоА в нескольких реакциях. [21]
Одна ветвь этого пути, метильная ветвь, похожа, но негомологична между бактериями и археями. В этой ветви происходит восстановление CO 2 до метильного остатка, связанного с кофактором. Промежуточными продуктами являются формиат для бактерий и формилметанофуран для архей, а также переносчики, тетрагидрофолат и тетрагидроптерины соответственно у бактерий и архей, различны, как и ферменты, образующие метильную группу, связанную с кофактором. [15]
В противном случае карбонильная ветвь гомологична между двумя доменами и состоит из восстановления другой молекулы CO2 до карбонильного остатка, связанного с ферментом, катализируемого CO-дегидрогеназой/ацетил-КоА-синтазой. Этот ключевой фермент также является катализатором для образования ацетил-КоА, начиная с продуктов предыдущих реакций, метильных и карбонильных остатков. [21]
Этот путь фиксации углерода требует только одной молекулы АТФ для производства одной молекулы пирувата, что делает этот процесс одним из основных для хемолитоавтотрофов, ограниченных в энергии и живущих в анаэробных условиях. [15]
3-Гидроксипропионатный цикл , также известный как цикл 3-HP/малил-КоА, открытый только в 1989 году, используется зелеными несерными фототрофами семейства Chloroflexaceae , включая максимального представителя этого семейства Chloroflexus auranticus, с помощью которого этот путь был открыт и продемонстрирован. [22] 3-Гидроксипропионатный цикл состоит из двух циклов, и название этого пути происходит от 3-Гидроксипоропионата, что соответствует его промежуточной характеристике.
Первый цикл — это путь синтеза глиоксилата . В ходе этого цикла два эквивалента бикарбоната фиксируются под действием двух ферментов: ацетил-КоА-карбоксилаза катализирует карбоксилирование ацетил-КоА в малонил-КоА, а пропионил-КоА-карбоксилаза катализирует карбоксилирование пропионил-КоА в метиламалонил-КоА. С этого момента серия реакций приводит к образованию глиоксилата, который, таким образом, станет частью второго цикла. [23] [24]
Во втором цикле глиоксилат составляет приблизительно один эквивалент пропионил-КоА, образуя метиламалонил-КоА. Он, в свою очередь, затем преобразуется посредством серии реакций в цитрамалил-КоА. Цитрамалил-КоА расщепляется на пируват и ацетил-КоА благодаря ферменту MMC-лиазе. В этот момент пируват высвобождается, в то время как ацетил-КоА повторно используется и снова карбоксилируется в малонил-КоА, таким образом восстанавливая цикл. [25]
Всего в 3-гидроксипропионатном бицикле задействовано 19 реакций и используются 13 многофункциональных ферментов. Многофункциональность этих ферментов является важной особенностью этого пути, который, таким образом, позволяет фиксировать три молекулы бикарбоната. [25]
Это очень дорогой путь: для синтеза нового пирувата используется 7 молекул АТФ, а для фосфаттриозы — 3 молекулы АТФ. [24]
Важной характеристикой этого цикла является то, что он допускает совместную ассимиляцию многочисленных соединений, что делает его пригодным для миксотрофных организмов. [24]
Было обнаружено, что вариант цикла 3-гидроксипропионата действует в аэробной экстремальной термоацидофильной архее Metallosphaera sedula . Этот путь называется циклом 3-гидроксипропионата/4-гидроксибутирата (3-HP/4-HB). [26]
Еще один вариант цикла 3-гидроксипропионата — цикл дикарбоксилат/4-гидроксибутират (DC/4-HB). Он был обнаружен у анаэробных архей. Он был предложен в 2008 году для гипертермофильного археона Ignicoccus hospitalis . [27]
Фиксация CO 2 катализируется еноил-КоА-карбоксилазами/редуктазами. [28]
Хотя ни один гетеротроф не использует углекислый газ в биосинтезе, некоторое количество углекислого газа включается в их метаболизм. [29] В частности, пируваткарбоксилаза потребляет углекислый газ (в виде ионов бикарбоната) в рамках глюконеогенеза , а углекислый газ потребляется в различных анаплеротических реакциях .
6-фосфоглюконатдегидрогеназа катализирует восстановительное карбоксилирование рибулозо-5-фосфата в 6-фосфоглюконат в E. coli при повышенных концентрациях CO2 . [ 30]
Некоторые карбоксилазы , в частности RuBisCO , предпочтительно связывают более легкий стабильный изотоп углерода углерод-12 по сравнению с более тяжелым углеродом-13 . Это известно как дискриминация изотопов углерода и приводит к более высоким соотношениям углерода-12 к углероду-13 в растении, чем в свободном воздухе. Измерение этого соотношения важно для оценки эффективности использования воды растениями, [31] [32] [33] , а также для оценки возможных или вероятных источников углерода в исследованиях глобального углеродного цикла.
В дополнение к фотосинтетическим и хемосинтетическим процессам, биологическая фиксация углерода происходит в почве посредством деятельности микроорганизмов, таких как бактерии и грибы. Эти почвенные микробы играют решающую роль в глобальном углеродном цикле, поглощая углерод из разложившегося органического вещества и перерабатывая его обратно в почву, тем самым способствуя плодородию почвы и продуктивности экосистемы. [34]
В почвенной среде органическое вещество, полученное из мертвого растительного и животного материала, подвергается разложению , процессу, осуществляемому разнообразным сообществом микроорганизмов. Во время разложения сложные органические соединения расщепляются на более простые молекулы под действием ферментов, вырабатываемых бактериями, грибами и другими почвенными организмами. По мере разложения органического вещества выделяется углерод в различных формах, включая диоксид углерода (CO2) и растворенный органический углерод (DOC).
Однако не весь углерод, высвобождаемый при разложении, немедленно теряется в атмосфере; значительная часть удерживается в почве посредством процессов, известных как секвестрация почвенного углерода. Почвенные микробы, особенно бактерии и грибы, играют ключевую роль в этом процессе, включая разложившийся органический углерод в свою биомассу или способствуя образованию стабильных органических соединений, таких как гумус и органическое вещество почвы. [35]
Одним из ключевых механизмов, посредством которого почвенные микробы секвестрируют углерод, является процесс производства микробной биомассы. Бактерии и грибы усваивают углерод из разложившейся органики в свои клеточные структуры по мере роста и размножения. Эта микробная биомасса служит резервуаром для хранящегося углерода в почве, эффективно секвестрируя углерод из атмосферы.
Кроме того, почвенные микробы способствуют формированию стабильного органического вещества почвы посредством синтеза внеклеточных полимеров , ферментов и других биохимических соединений. Эти вещества помогают связывать частицы почвы вместе, образуя агрегаты, которые защищают органический углерод от микробного разложения и физической эрозии . Со временем эти агрегаты накапливаются в почве, что приводит к образованию органического вещества почвы, которое может сохраняться от столетий до тысячелетий.
Секвестрация углерода в почве не только помогает смягчить накопление атмосферного CO2 и смягчить изменение климата , но и повышает плодородие почвы, удержание воды и круговорот питательных веществ , тем самым поддерживая рост растений и продуктивность экосистемы. Следовательно, понимание роли почвенных микробов в биологической фиксации углерода имеет важное значение для управления здоровьем почвы , смягчения последствий изменения климата и продвижения устойчивых методов управления земельными ресурсами.
Биологическая фиксация углерода — это фундаментальный процесс, который поддерживает жизнь на Земле, регулируя уровень CO2 в атмосфере, поддерживая рост растений и других фотосинтезирующих организмов, а также поддерживая экологическое равновесие.