生物学的炭素固定

カルビン回路は、生物学的炭素固定の 90% を占めています。植物のカルビン回路は、アデノシン三リン酸(ATP) とニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADPH) を消費し、陸上での炭素固定の大部分を占めています。藻類とシアノバクテリアでは、海洋での炭素固定の大部分を占めています。カルビン回路は、二酸化炭素を糖に変換し、トリオースリン酸 (TP) を生成します。トリオースリン酸 (TP) は、グリセルアルデヒド 3-リン酸(GAP) とジヒドロキシアセトンリン酸(DHAP) からなります。^{[ 10 ]}

3 CO ₂ + 12 e ⁻ + 12 H ⁺ + Pi _→ TP + 4 H ₂ O

別の視点では、NADPH（電子の供給源）とATPについて説明して^いる。

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

_{無機リン酸（P i} ）の式は HOPO ₃ ²⁻ + 2 H ⁺です。トリオースと TP の式は、C ₂ H ₃ O ₂ -CH ₂ OH と C ₂ H ₃ O ₂ -CH ₂ OPO ₃ ²⁻ + 2 H ⁺です。

逆クレブス回路は、逆TCA回路（rTCA）または還元クエン酸回路とも呼ばれ、炭素固定のための標準的なカルビン・ベンソン回路の代替経路です。これは、厳密な嫌気性または微好気性の細菌（Aquificalesなど）および嫌気性古細菌で発見されています。1966年にエバンス、ブキャナン、アーノンが光合成を行う緑色硫黄細菌Chlorobium limicolaの研究中に発見しました。^{[ 11 ]}特に、熱水噴出孔ではカンピロバクター類が最もよく利用する経路の1つです。^{[ 12 ]}この特徴により、海洋の無光環境における一次生産、すなわち「暗所一次生産」が可能になります。^{[ 13 ]}これがないと、無光環境での一次生産は起こらず、生命のない生息地につながります。

このサイクルでは、₂分子のCO2からアセチルCoAが生合成される。^{[ 14 ]}逆クレブス回路の主なステップは以下のとおりである。

• オキサロ酢酸からリンゴ酸へ、NADH + H ^+を使用

  オキサロ酢酸 + NADH/H ⁺ → リンゴ酸 + NAD ⁺

• フマル酸からコハク酸への変換は、酸化還元酵素であるフマル酸還元酵素によって触媒される。

  フマル酸塩 + FADH ₂ ⇌ コハク酸塩 + FAD

• コハク酸からスクシニルCoAへの変換（ATP依存性ステップ）

  コハク酸 + ATP + CoA → スクシニルCoA + ADP + Pi

• コハク酸CoAからα-ケトグルタル酸への反応（CO₂分子1個使用_）

  スクシニルCoA + CO2 ₊ Fd _（赤） → α-ケトグルタル酸 + Fd _（酸化）

• α-ケトグルタル酸からイソクエン酸への反応（ NADPH + H ⁺と別の CO ₂分子を使用）

  α-ケトグルタル酸 + CO ₂ + NAD(P)H/H ⁺ → イソクエン酸 + NAD(P) ⁺

• クエン酸はオキサロ酢酸とアセチルCoAに変換される。これはATP依存性のステップであり、重要な酵素はATPクエン酸リアーゼである。

  クエン酸 + ATP + CoA → オキサロ酢酸 + アセチルCoA + ADP + Pi

この経路はオキサロ酢酸の再生により循環的である。^{[ 15 ]}

ガンマプロテオバクテリアとリフティア・パキプティラという細菌は、_H₂Sの濃度に応じてカルビン・ベンソン回路からrTCA回路に切り替わる。^{[ 16 ]}

還元型アセチルCoA経路（CoA経路）は、ウッド・リュングダール経路とも呼ばれ、CO2を_電子受容体および炭素源として、H2_を電子供与体として酢酸を生成する。^{[ 17 ]}この代謝はバチルス門、特にクロストリジウム属に広く見られる。^{[ 18 ]}

この経路は、主にユーリ古細菌であるメタン生成菌や、硫酸還元細菌や古細菌などの嫌気性化学合成独立栄養生物によっても利用されています。また、嫌気性条件下でアンモニアを酸化するプランクトミセトータの目であるブロカディアレスによっても行われていると考えられます。 ^{[ 14 ] [ 18 ] [ 19 ]}特定の古細菌にのみ見られ、世界のメタン生成の80%を占める水素栄養性メタン生成も、還元アセチルCoA経路に基づいています。

一酸化炭素脱水素酵素／アセチルCoAシンターゼは、_CO2をCOに還元し、いくつかの反応でアセチルCoAを合成する酸素感受性酵素である。 ^{[ 20 ]}

この経路の分岐の一つであるメチル分岐は、細菌と古細菌の間で類似しているが相同性はない。この分岐では、CO ₂が補因子に結合したメチル残基に還元される。中間体は細菌ではギ酸、古細菌ではホルミルメタンフランであり、また、細菌と古細菌ではそれぞれテトラヒドロ葉酸とテトラヒドロプテリンというキャリアーも異なり、補因子に結合したメチル基を形成する酵素も異なる。^{[ 14 ]}

それ以外の場合、カルボニル分岐は2つのドメイン間で相同であり、COデヒドロゲナーゼ/アセチルCoAシンターゼによって触媒される、別のCO2分子の還元から酵素に結合したカルボニル残基までで構成されて_います。この重要な酵素は、前の反応の生成物であるメチル基とカルボニル基からアセチルCoAを形成するための触媒でもあります。^{[ 20 ]}

この炭素固定経路は、ピルビン酸1分子の生成にATP1分子しか必要としないため、エネルギーが限られ嫌気性条件下で生活する化学合成独立栄養生物にとって、このプロセスは主要な選択肢の1つとなっている。^{[ 14 ]}

3-ヒドロキシプロピオン酸サイクル（3-HP/マリル-CoAサイクルとも呼ばれる）は、1989年に発見されたばかりで、クロロフレクサス科の緑色非硫黄光合成生物によって利用されており、この科の最大代表種であるクロロフレクサス・アウランティクスによってこの経路が発見され実証された。^{[ 21 ]} 3-ヒドロキシプロピオン酸サイクルは2つのサイクルから構成されており、この経路の名前は、その中間特性に対応する3-ヒドロキシプロピオン酸に由来する。

最初のサイクルはグリオキシル酸の合成経路です。このサイクルでは、2つの酵素の作用により2当量の重炭酸イオンが固定されます。アセチルCoAカルボキシラーゼはアセチルCoAをマロニルCoAにカルボキシル化する反応を触媒し、プロピオニルCoAカルボキシラーゼはプロピオニルCoAをメチルアマロニルCoAにカルボキシル化する反応を触媒します。この時点から、一連の反応によりグリオキシル酸が生成され、これが2番目のサイクルの一部となります。^{[ 22 ] [ 23 ]}

第２サイクルでは、グリオキシル酸がプロピオニル-CoAとほぼ等価でメチルアマロニル-CoAを形成する。これは、一連の反応を経てシトラマリル-CoAに変換される。シトラマリル-CoAは、酵素MMCリアーゼによってピルビン酸とアセチル-CoAに分解される。この時点でピルビン酸は放出され、アセチル-CoAは再利用されて再びカルボキシル化されてマロニル-CoAとなり、サイクルが再構成される。^{[ 24 ]}

3-ヒドロキシプロピオン酸二環式反応には合計19の反応が関与しており、13の多機能酵素が使用されている。これらの酵素の多機能性は、この経路の重要な特徴であり、これにより3つの重炭酸イオン分子の固定が可能となる。^{[ 24 ]}

これはコストのかかる経路です。新しいピルビン酸を合成するために7分子のATPが消費され、リン酸トリオースには3分子のATPが消費されます。^{[ 23 ]}

このサイクルの重要な特徴は、多数の化合物の同時同化を可能にすることであり、混合栄養生物に適している。^{[ 23 ]}

3-ヒドロキシプロピオン酸サイクルの変異体が好気性極限好熱好酸性古細菌Metallosphaera sedulaで機能していることが発見された。この経路は 3-ヒドロキシプロピオン酸/4-ヒドロキシ酪酸 (3-HP/4-HB) サイクルと呼ばれている。^{[ 25 ]}

3-ヒドロキシプロピオン酸サイクルのもう一つの変種は、ジカルボン酸/4-ヒドロキシ酪酸（DC/4-HB）サイクルである。これは嫌気性古細菌で発見された。2008年に超好熱性古細菌Ignicoccus hospitalisで提唱された。^{[ 26 ]}

CO2固定_はエノイル-CoAカルボキシラーゼ/還元酵素によって触媒される。^{[ 27 ]}