Serendipity or dull reconfirmation?

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1 Serendipity or dull reconfirmation?
五十嵐研雑誌会　No. 1068 Serendipity or dull reconfirmation? (Discussion on [r]TCA cycle) Masaharu Ishii

2 Metabolism-first or Genetic-first?
　私は進化を真っ向から論じようとは考えていない。また、そう　するための総合力が自分に足り　ないことも充分に分かっている。 　しかし、現在の代謝の姿から　何かが見えるのでは？と期待し、考え、その妥当性を自分なりに　検証することは止めたくない。

3 TCAサイクル ウィキぺディアより

4 還元的TCAサイクル 4CO2→Oxaloacetate (4ATP + 10[H]) Citrate Acetyl-CoA
Citryl-CoA Citrate Succinyl-CoA Oxalosuccinate Isocitrate 2-Oxoglutarate Succinate Fumarate Malate Pyruvate Acetyl-CoA 4CO2→Oxaloacetate (4ATP + 10[H])

5 rTCAサイクルはAutocatalytic cycleと 成り得るか
Simple cycleの候補 PLoS Biology, 6(1), 5-13 (2008)

6 成り得ないのでは！？ ○ 酢酸やコハク酸に対してカルボキシル化反応が 生じている。同じ反応がリンゴ酸にも生じてしまう 可能性が高い。
○ 酢酸やコハク酸に対してカルボキシル化反応が　生じている。同じ反応がリンゴ酸にも生じてしまう　可能性が高い。 ○ オキザロ酢酸、オキザロコハク酸、フマル酸の　還元反応が生じている。同じ反応がピルビン酸やα-ケトグルタル酸にも生じてしまう可能性が高い。 ○ 酢酸のカルボキシル化反応で、マロン酸を生成　しないような特別な触媒の存在が必要となる。 ○ チオエステル化合物生成性(CoA様物質)を酢酸、コハク酸、クエン酸に限定するのは難しい。 ○ サイクル外へ化合物を引っ張る反応が存在し得る。 PLoS Biology, 6(1), 5-13 (2008)

7 ホルモース反応はAutocatalytic cycleと成り得るだろう
PLoS Biology, 6(1), 5-13 (2008) J. Theor. Biol. , 188, (1997)

8 (r)TCAサイクルはAutocatalytic cycleではないのだろう
では、TCAサイクルとrTCAサイクルのどちらが先に在ったのだろうか？ （これは真っ当な質問だろうか・・）

9 TCAサイクルだろうか ピルビン酸 アセチルCoA 縮合 クエン酸 脱水 シスアコニット酸 水添加 イソクエン酸 脱水素 オキザロコハク酸
COOH CH2 C=O ピルビン酸 CH3 C=O SCoA アセチルCoA 縮合 COOH CH2 HO-C-COOH クエン酸 脱水 COOH CH2 C-COOH CH シスアコニット酸 水添加 COOH CH2 HC-COOH HO-CH イソクエン酸 脱水素 COOH CH2 HC-COOH C=O オキザロコハク酸 Genome Res. 9:1175 (1999)

10 rTCAサイクルでは？ モジュール Citrate Acetyl-CoA Isocitrate Citryl-CoA
水添加 CO2 Oxaloacetate Citryl-CoA Citrate Succinyl-CoA Oxalosuccinate Isocitrate 2-Oxoglutarate Succinate Fumarate Malate Pyruvate Acetyl-CoA Gluco- neogenesis 脱水 Fe-S CoA付加 TPP 2電子還元 炭酸固定 開裂 モジュール 炭酸固定 炭酸固定 ビオチン ビオチン 2電子還元 TPP 炭酸固定 脱水 Fe-S 2電子還元 CoA付加

11 つまり、こんな考え・・・・・ Acetyl-CoA Succinyl-CoA 左側の代謝系が機能
シスアコニット酸まで　反応進行 酵素が二機能性を有していたため、クエン酸が生成 クエン酸処理のため、CoAが動員され、Citryl-CoAができる Citryl-CoA lyaseが機能し始め、回路が完結する 炭酸固定 炭酸固定 Pyruvate 2-Oxoglutarate 炭酸固定 炭酸固定 Oxaloacetate Oxalosuccinate 2電子還元 2電子還元 Malate Isocitrate 脱水 脱水 Fumarate cis-Aconitate Citrate Citryl-CoA 2電子還元 水添加 Succinate Acetyl-CoA + Oxaloacetate

12 アコニターゼが関わる分子 H2O H2O クエン酸：９１％ cis-アコニット酸：３％ イソクエン酸：６％

13 フマラーゼが関わる分子 H2O リンゴ酸：７５％ フマル酸：２５％ フマル酸の分子対称性がフマル酸還元酵素を産んだ

14 フマル酸還元酵素 フマル酸還元酵素のサブユニット数が多いこと、さらにはモチーフが多いことは、生物が、とにかくフマル酸を代謝しよう、と喘いでいた歴史を刻んでいるのでは！？

15 モジュールの機能性 （サイクル形成前？） イソクエン酸リアーゼの不可逆性が問題 Acetyl-CoA Pyruvate
Oxaloacetate Malate Fumarate Succinate Citrate cis-Aconitate Isocitrate 2-Oxoglutarate Succinyl-CoA Glyoxylate イソクエン酸リアーゼの不可逆性が問題

16 3-Hydroxypropionateサイクル
Trifunctional Bifunctional Trifunctional アセチルCoAから プロピオニルCoAまで アセチルCoA マロニルCoA マロン酸セミアルデヒド 3-ヒドロキシプロピオン酸 3-ヒドロキシプロピオニルCoA アクリロイルCoA プロピオニルCoA PNAS 106, (2009)

17 参　考　文　献 ○ The implausibility of metabolic cycles on the prebiotic earth, Leslie E. Orgel, PLOS Biology, 6(1), 5-13 (2008) ○　Possible evolutionary role of methylglyoxalase pathway Anaplerotic route　for reductive citric acid cycle of surface metabolists, Miklos Peter Kalapos, J. Theor. Biol. , 188, (1997) ○ A prokaryotic gene cluster involved in synthesis of lysine through the amino adipate pathway: a key to the evolution of amino acid biosynthesis, Hiromi Nishida, Makoto Nishiyama, Nobuyuki Kobashi, Takehide Kosuge, Takayuki Hoshino, and Hisakazu Yamane, Genome Res. 9, (1999) ○A soluble NADH-dependent fumarate reductase in the reductive tricarboxylic acid cycle of Hydrogenobacter thermophilus TK-6, Miura A, Kameya M, Arai H, Ishii M, Igarashi Y., J. Bacteriol., 190(21), (2008) ○ The Viability of a nonenzymatic reductive citric acid cycle-kinetics and thermochemistry, David S. Ross, Orig. Life Evol. Biosph. 37, (2007) ○ Which way to life?, Antonio Lazcano, Orig. Life Evol. Biosph, 40, (2010) ○ Jan Zarzycki, Volker Brecht, Michael Müller, and Georg Fuchs, Identifying the missing steps of the autotrophic 3-hydroxypropionate CO2 fixation cycle in Chloroflexus aurantiacus, Proc. Natl. Acad.Sci. USA,106 (50), (2009)