Inorganic Metabolism 2567 PDF

1  บทนำ กระบวนกำรเมแทบอลิซึมของสำรอนินทรีย์ – Assimilation : กำรนำสำรประกอบอนินทรียใ์ ช้ในกำรสังเครำะห์ สำรประกอบอินทรีย์ที่เป็นองค์ประกอบของเซลล์ – Dissimilation : กำรเปลี่ยนแปลงสำรประกอบอนินทรีย์ที่มี ควำมสัมพันธ์กับปฏิกิริยำกำรสร้ำงพลังงำนภำยในเซลล์คอ...

1  บทนำ กระบวนกำรเมแทบอลิซึมของสำรอนินทรีย์ – Assimilation : กำรนำสำรประกอบอนินทรียใ์ ช้ในกำรสังเครำะห์ สำรประกอบอินทรีย์ที่เป็นองค์ประกอบของเซลล์ – Dissimilation : กำรเปลี่ยนแปลงสำรประกอบอนินทรีย์ที่มี ควำมสัมพันธ์กับปฏิกิริยำกำรสร้ำงพลังงำนภำยในเซลล์คอื anaerobic respiration – ใช้สำรประกอบอนินทรียเ์ ป็นแหล่งของ electron และพลังงำน แทนสำรอินทรีย์ = chemolithotrophs 2 หัวข้อ Assimilation of nitrate and sulfate Dissimilation of nitrate and sulfate Nitrogen fixation Chemolithotrophy – Hydrogen oxidizing – Carbon monoxide oxidizing – Nitrite oxidizing – Sulfur oxidizing – Iron oxidizing – Methanogenic 3  Assimilation ของ nitrate : กำรรีดิวส์ nitrate ไปเป็น ammonia เพื่อใช้สร้ำง glutamine และ glutamate ซึ่งจะเป็นแหล่งของ amino group ในกำรสร้ำงสำรอินทรีย์ทมี่ ีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ Assimilation ของ sulfate : กำรรีดิวส์ sulfate ไปเป็น H2S เพื่อใช้ ในกำรสร้ำง cysteine ซึ่งจะเป็นแหล่งของ sulfur ในกำรสร้ำง สำรประกอบอินทรีย์ 4 Assimilation ของ nitrate : nitrate reduction and ammonia assimilation Nitrate เป็นแหล่งของไนโตรเจนในเซลล์พืช ฟังไจ และแบคทีเรีย โดยขั้นแรก nitrate (NO3-; +5) จะถูกรีดิวส์ไปเป็น ammonia (NH3; -3) โดยมี nitrate reductase (1) และ nitrite reductase (2) เร่งปฏิกิริยำ NH3 ที่เกิดขึ้นจะไปรวมเป็น glutamine ผ่ำนระบบของ glutamine synthase (GS) และ glutamine oxoglutarate aminotransferase (GOGAT) หรือ glutamate synthase Glutamate จะเป็น amino donor ในกำรสังเครำะห์ amino acid ด้วย ปฏิกิริยำ transmination 5  glutamine synthase Ammonia assimilation http://www.ucl.ac.uk/~ucbcdab/urea/images/glnsynth%20copy.png 6  Ammonia assimilation 7 Assimilation ของ sulfate : ในแบคทีเรียหลำยชนิดสำมำรถใช้ SO42- เป็นแหล่งของ sulfur ได้ โดยกำรรีดิวส์ ไปเป็น H2S (S2-) เพื่อไปรวมเป็น cysteine ต่อไป ATP sulfurylase APS phosphokinase PAPS reductase Sulfite reductase 8  Dissimilation ของ nitrate และ sulfate คือ กำรใช้ nitrate หรือ sulfate เป็นตัวรับ electron ในกระบวนกำร anaerobic respiration ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นถูกปลดปล่อยออกจำกเซลล์ ไม่ได้กลำยเป็นองค์ประกอบของ เซลล์ แบคทีเรียที่เป็น facultative anaerobes บำงชนิดสำมำรถใช้ nitrate ผ่ำน dissimilatory pathway เมื่อไม่มีออกซิเจน แต่พวกที่สำมำรถใช้ sulfate เป็น e- acceptor มักจะเป็น obligate anaerobes ที่เรียกว่ำ sulfate reducers 9 Denitrification หรือ dissimilatory nitrate reduction หรือ nitrate respiration เป็นปฏิกิริยำที่ nitrate หรือ nitrite ถูกรีดิวส์ไปเป็น N2 นอกเหนือจำก N2 แล้วยังมี NO (nitric oxide) และ nitrous oxide เกิดขึ้น ด้วย เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องคือ – Nitrate reductase (NaR): รีดิวส์ NO3- ไปเป็น NO2- – Nitrite reductase (NiR) : รีดิวส์ NO2- ไปเป็น NO – Nitric oxide reductase : รีดิวส์ 2 โมเลกุลของ NO ไปเป็น N2O – Nitrous oxide reductase : รีดิวส์ N2O ไปเป็น N2 สิ่งมีชีวิตที่พบกระบวนกำรนี้เรียกว่ำ Denitrifiers เช่น Alcaligenes, Paracoccus และ Pseudomonas 10 Anaerobic condition Aerobic condition 11 Dissimilatory sulfate reduction : sulfate reducers เป็นปฏิกิริยำรีดิวส์ SO42- ไปเป็น H2S โดยใช้ SO42- เป็นตัวรับ electron สำหรับตัวให้ electron อำจเป็นสำรอินทรีย์ (เช่น lactate, ethanol, propionate, butyrate เป็นต้น) หรือ H2 สิ่งมีชีวิตที่พบกระบวนกำรนี้ คือ Desulfovibrio 12  Periplasmic hydrogenase APS reductase Sulfite reductase ไม่ได้ถูกนำไปใช้ในกำรสร้ำง อปก.ของเซลล์ 13  ปฏิกิริยำตรึงก๊ำซไนโตรเจนจำกบรรยำกำศ กลำยเป็นแอมโมเนีย N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP = 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi โดยแอมโมเนียที่เกิดขึน้ จะถูกนำไปใช้เป็นส่วนหนึ่งของสำรอินทรียค์ ือ amine ซึ่งเป็น N-atom ในโมเลกุลของ โปรตีน nucleic acid และสำรชีวโมเลกุลอื่นๆ พบเฉพำะในพวก prokaryotes กระบวนกำร nitrogen fixation จะเกิดขึ้นเฉพำะในสภำวะที่มี N2 เป็นแหล่งไนโตรเจน เพียงชนิดเดียว 14  มีปัจจัยที่สำคัญ ได้แก่ เอนไซม์ nitrogenase ประกอบด้วย 2 subunits คือ – azoferrodoxin (dinitrogenase reductase) : รับ electron จำก ferrodoxin และ flavodoxin รวมทั้งจับกับ ATP – molybdoferrodoxin (dinitrogenase) : จับกับ N2 และรีดิวส์ เป็นเอนไซม์ที่ถูกยับยั้งโดยออกซิเจน และ แอมโมเนีย (end product)  Aerobic species – Azotobacter – Beijerinkia Anaerobic species – Clostridium Cyanobacteria – เอนไซม์ nitrogenase จะอยู่ในโครงสร้ำงพิเศษเพื่อสร้ำงสภำวะ anaerobic condition ที่เรียกว่ำ heterocyst Filamentous heterocystous, Anabaena; – Rhizobium และ Bradyrhizobium – พืชตระกูลถั่ว – มีกำรสร้ำงปมรำก (root nodule) – พืชให้สร้ำงอำหำรกับแบคทีเรีย และสร้ำงสภำวะไร้ออกซิเจน – แบคทีเรียตรึง N2 ให้เป็น N ในรูปที่พืชสำมำรถนำไปใช้ได้ ในกำรสร้ำงโปรตีน Nitrogen fixation ของ Rhizobium ในปมรำกถั่ว Rhizobium จะมีกำรเปลี่ยนแปลงเซลล์ไปเป็น bacteroids อยู่ในชั้น inner cortex เพื่อป้องกัน nitrogenase จำก O2 18 Nitrogen fixation ใน heterocysts ของ cyanobacteria เอนไซม์ nitrogenase ของ cyanobacteria เช่น Anabaena และ Nostoc จะอยู่ใน heterocysts เป็นเซลล์ที่แตกต่ำงจำก normal cell หรือ vegetative cell คือ - ไม่สำมำรถตรึง CO2 - มีเฉพำะ PSI เพรำะฉะนั้นไม่สร้ำง O2 - มีผนังหนำที่ประกอบด้วย glycolipid และ polysaccharides - ไม่มีกำรแบ่งตัว 19  Azotobacter sp. จะป้องกัน nitrogenase จำก O2 โดย nitrogenase จะจับกับ protective protein ที่เรียกว่ำ Shethna , FeSII เป็น redox protein ทำให้กลำยเป็น air-tolerant complex 20 Nitrogen cycle 21  แหล่งของคำร์บอนจะเป็น CO2 แหล่งพลังงำน ใช้ H2, H2S, Fe2+ หรือ NH3 เป็น electron donor ส่วน electron acceptor ก็เป็น O2, NO-3 และ CO2 โดยกำรสร้ำงพลังงำนจะสร้ำงจำก ระบบของ ATPase – สร้ำงโดยตรงจำก inorganic compound – สร้ำง NADH จำก reverse electron transport reaction Chemoautotrophs 23  Hydrogen oxidizing bacteria Electron donor : hydrogen Electron acceptor : O2, nitrate, sulfate, ferric ion Enzyme : hydrogenase ตัวอย่ำง : Ralstonia (Alcaligenes) – Aerobic: H2 + O2 H2 O : Ecology: ดิน และน้ำจืด Aquifex, Aquifex/Thermophile Anaerobic: H2 + NO3- HNO2 : Ecology: น้ำพุร้อน hydrogenase  Carbon monoxide oxidation Carboxydobacteria : aerobic CO oxidizers CO dehydrogenase CO + H2O CO2+ 2H++ 2e- มักเป็นแบคทีเรียแกรมลบ เช่น Acinetobacter และ Pseudomonas 26  เป็นปฏิกิริยำกำรออกซิไดซ์แอมโมเนีย (NH3) ไปเป็นไนไตร์ต (NO2-) และไนเตรต (NO3-) ตำมลำดับ nitrifying bacteria ส่วนใหญ่เป็นแบคทีเรียแกรมลบ เป็นกลุ่มเชื้อแบคทีเรียที่มี ควำมสำคัญกับวัฏจักรไนโตรเจน เป็นปฏิกิริยำที่เกิดขึน้ ในสภำวะที่มีออกซิเจน (aerobe) ปฏิกิริยำ เชื้อแบคทีเรีย แหล่งที่พบ NH3→NO2- Nitrosomonas europaea ดิน น้ำจืด น้ำทะเล น้ำเสีย Nitrosospira (Nitrosovibrio) tenuis ดิน Nitrosococcus oceanus น้ำ Nitrospira briensis ดิน Nitrosolobus multiformis ดิน NO2-→NO3- Nitrococcus mobilis Nitrobacter winogradskyi น้ำทะเล ดิน น้ำจืด น้ำทะเล facultative chemolithotroph Nitrospina gracilis น้ำทะเล Nitrospira marina น้ำทะเล – Ammonia oxidizing bacteria : ใช้ ammonia เป็นแหล่งของพลังงำน = nitrifiers – มี 5 genera: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio – ammonia จะถูก oxidized ผ่ำน 2 ขั้นตอนคือ – เปลี่ยนเป็น hydroxylamine (NH2OH) โดยเอนไซม์ ammonia monooxygenase (AMO) – เปลี่ยนต่อเป็น nitroxyl (NOH) โดยเอนไซม์ hydroxylamine oxidoreductase (HAO)  Electron ที่ได้จำก nitrosyl จะถูกส่งผ่ำน electron transport chain ไปให้ O2 ได้ ATP (forward electron transport) Electron บำงส่วนถูกส่งผ่ำนทำง reverse electron transport ผ่ำน cytochrome c, ubiquinone และ flavoprotein ได้ NADH หรือ NADPH ATP และ NADPH ที่เกิดขึ้นจะถูกใช้ในกำรกระบวนกำร CO2 fixation เพื่อใช้ใน กำรสังเครำะห์สำรต่ำงๆ ต่อไป – เกิดจำกกิจกรรมของแบคทีเรียอีกกลุ่ม เช่น Nitrobacter hambergensis และ Nitrobacter winogradskyi – เอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง คือ nitrite oxidoreductase (NOR หรือ NXR) – เป็นปฏิกิริยำที่ทีกำรกำรถ่ำยทอด electron แค่ 1 ตัว เนื่องจำกศักย์ไฟฟ้ำ ของ NO3-/NO2- – ดังนั้นจึงได้พลังงำนน้อยมำกจำกปฏิกิริยำนี้  Electron donors: – Hydrogen sulfide (H2S) – Elemental sulfur (S0) – Thiosulfate (S2O32-) – Sulfite (SO32-) Final product : sulfate (SO42-) Sulfur bacteria: chemolithotrophic sulfur bacteria ~ colourless sulfur bacteria  เอนไซม์ที่สำคัญคือ – Sulfite oxidase: ย้ำย electron จำก SO32- ไปให้ cytochrome c ผ่ำน กระบวนกำร electron transport chain ได้ ATP – Adenosine phosphosulfate reductase  Oxidizes ferrous (Fe2+) ไปเป็น ferric (Fe3+) ส่งถ่ำย electron ที่ได้ไปยัง O2 ได้พลังงำนในรูปของ ATP เช่น Thiobacillus ferroxidans, Gallionella ferruginea, Sulfolobus เป็นต้น แต่มีแบคทีเรียบำงชนิดที่ไม่ได้ใช้สำรประกอบ inorganic Fe เป็นแหล่งพลังงำน สำหรับกำรเจริญ แต่สำมำรถสลำยสำรประกอบนี้ แล้วขับออกนอกเซลล์หรือ สะสมในรูปของ hydroxide ตรงส่วนของ slime หรือ capsule  Iron bacteria – Acidic pH : obligate acidophilic – Intracellular pH ~6; extracellular pH ~2 – Fe3+ ที่สร้ำงขึ้นจะ form ตัวเป็น Fe(OH)3 ที่ไม่ละลำยน้ำ Acidthiobacillus ferroxidans กำรเจริญใน ferrous sulfate Electron donor: อยู่ที่ผิวเซลล์ Electron จะถูกถ่ำยทอดให้กับ cyctochrome ที่อยู่ที่ cell membrane มีโมเลกุลที่เกี่ยวข้องคือ rusticyanin (RC) เป็นโปรตีนที่มี Cu เป็น องค์ประกอบ Electron จะถูกเคลื่อนย้ำยจำก periplasmic ไปยัง cytochrome oxidase บริเวณ cell membrane เกิด proton motive force สร้ำง ATP เกิดขึ้น  กำรเจริญใน pyrite (FeS2) Ferrous disulfite จะอยู่ในรูป ของ disulfide ions (S22-) และ ferrous ion (Fe2+) จะถูกออกซิไดซ์ไปเป็น Fe3+ และ sulfuric acid 36  Methanogenesis กำรเปลี่ยนอินทรียวัตถุไปเป็น methane (CH4) ในสภำวะ anaerobic โดยทั่วไปมักจะเกิดในสภำวะที่มีสำรอินทรีย์สูง และมีปริมำณ sulfate ต่ำ CO2 เป็น electron acceptor Electron donors: H2, formate, methanol, acetate, methylamines และ CO สำมำรถแบ่งกลุ่มของแบคทีเรีย methanogens ตำม electron donors – Hydrogenotrophic methanogens – Methylotrophic methanogens – Aceticlastic methanogens Hydrogenotrophic methanogens Chemolithotrophic methanogens รีดิวส์ CO2 ไปเป็น CH4 โดยใช้ H2 เป็น electron donor ใช้ formate และ CO ไปเป็น CO2 + H2 แล้วถูก oxidized ต่อไป เป็น CO2 ก่อนถูกรีดิวส์ไปเป็น CH4 38 Methylotrophic methanogens ใช้ methyl compounds เป็น substrate เช่น methanol และ methylamines Aceticlastic methanogens ใช้ acetate เป็น substrate เช่นแบคทีเรีย Methanosarcina 40  Acetogenic bacteria Acetic acid-producing anaerobes : Acetobacterium, Clostridium Electron donor : H2 Electron acceptor : CO2 2 CO2 + 4 H2 → CH3COOH + 2H2O 41 เป็นวิถีหลักในกำรตรึง CO2 ของ aerobic chemolithotrophs และ photolithotrophs พบใน aerobic chemolithotrophs และ photolithotrophs บำงชนิด พบใน anaerobic chemolithotrophs เช่น methanogens 42  Calvin cycle Calvin cycle  Calvin-Benson cycle มี 3 ขั้นตอน – ขั้นตอนที่ 1 : CO2 เข้ำสู่วัฏจักรโดยไปรวมกับ ribulose-5-phosphate และแตกตัวเป็น 3-phosphoglycerate 43  ขั้นตอนที่ 2 : มีกำรใช้ ATP และ reducing power คือ NADH เปลี่ยน 3- phosphoglycerate ไปเป็น glyceraldehyde-3-phosphate ซึ่งเป็น intermediate ใน glycolysis และเป็น precursor ในกำรสังเครำะห์สำรต่ำงๆ 44  ขั้นตอนที่ 3: glyceraldehyde-3-phosphate มีกำรเปลี่ยนแปลง isomer เป็น dihydroxyacetone phosphate แล้วมีกำรรวมตัวกับ glyceraldehyde-3- phosphate เกิดเป็น fructose 1,6 diphosphate และเกิด dephosphorylated เป็น fructose-6-phosphate จะถูกใช้ในกำรสร้ำง ribulose 1,5 diphosphate โดยปฏิกิริยำที่เกี่ยวข้องกับ pentose phosphate pathway 45 Pentose phosphate (PP) pathway 46 ribulose- 1,5-diphosphate carboxylase phosphoribulokinase 6CO2+18ATP+12NAD(P)H+12H+ Fructose-6-phosphate+18ADP+18Pi+12NAD(P)+ 47 ควำมสัมพันธ์ระหว่ำง Calvin cycle, glycolysis และ pentose phosphate pathway 48 – พบในพวก thermophilic H2 bacterium เช่น Hydrogenobacter thermophilus : obligate chemolithotroph, Thermoproteus, Sulfolobus – ไม่มี key enzyme ของ Calvin cycle – Key enzymes ที่ต่ำงจำก TCA cycle คือ ATP:citrate lyase, 2- ketoglutarate synthase และ fumarate reductase – ปฏิกิริยำสุทธิ 2CO2 + 3NADH + 3H+ +Fd.H2+CoASH+2ATP CH3CO-CoA+3NAD+ + 3H2O +Fd + 2ADP + 2Pi 49  ATP:citrate lyase -ketoglutarate synthase Fumarate reductase 50 – หรือ Acetyl CoA pathway หรือ CODH pathway หรือ Wood- Ljungdahl pathway – พบในพวก anaerobic chemolithotrophs เช่น methanogens, acetogenic bacteria เป็นต้น – ปฏิกิริยำสุทธิ 2CO2 + 2NADH + 2H+ + 2Fd.H2 +CoASH + ATP CH3CO-CoA + 2NAD+ + 3H2O + 2Fd +ADP + Pi 51 -acetyl CoA ถูกสร้ำงจำก CO2 และ H2 52  ไม่สำมำรถ หรือไม่มีกลไกในกำรนำสำรประกอบอินทรีย์เข้ำสู่เซลล์ ไม่สำมำรถที่จะสังเครำะห์ ATP จำก NADH oxidation ไม่มี TCA cycle ที่จะสำมำรถใช้สำรประกอบอินทรีย์ได้ อำจไม่สำมำรถใช้สำรอินทรีย์เป็น electron donor 53