Voie de Wood-Ljungdahl

La formation d'acétate CH₃COO⁻ à partir d'hydrogène H₂ et de dioxyde de carbone CO₂ est thermodynamiquement favorable dans les conditions standard, avec une variation d'enthalpie libre standard ΔG°’ valant −95 kJ·mol^-1[5] à −104 kJ·mol^-1 selon les auteurs :

4 H₂ + 2 CO₂ → CH₃COO⁻ + H⁺ + 2 H₂O.

Il existe de nombreuses variantes de cette voie métabolique, différant par les cofacteurs et les accepteurs d'électrons impliqués. Ce catabolisme consiste en deux voies distinctes, dites « branche du méthyle » et « branche du carbonyle » — dans la littérature, on parle également respectivement de voies « orientale » (eastern) et « occidentale » (western)^[6] :

• la branche du méthyle, découverte par Lars Ljungdahl, au cours de laquelle une molécule de CO₂ est réduite en groupe méthyle –CH₃ ;
• la branche du carbonyle, dont l'élucidation doit beaucoup aux travaux de Harland Wood (en), au cours de laquelle une seconde molécule de CO₂ est réduite en CO.

Si la voie de Wood-Ljungdahl elle-même n'est pas cyclique, à la différence d'autres voies de fixation du carbone telles que le cycle de Krebs inverse ou le cycle de Calvin, la branche du méthyle a en revanche un fonctionnement cyclique avec, chez les archées, également un sous-cycle de régénération du méthanofurane.

Une molécule de CO₂ est réduite en formiate HCOO⁻ par la formiate déshydrogénase NADP-dépendante (EC 1.2.1.43), qui diffère de la formiate-déshydrogénase (EC 1.2.1.2) par l'utilisation du cofacteur NADPH. Cette enzyme est une sélénoprotéine, qui contient de la sélénocystéine ainsi que du tungstène :

CO₂ + NADPH  ${\displaystyle \rightleftharpoons }$  NADP⁺ + HCOO⁻

Le formiate est ensuite condensé sur une molécule de tétrahydrofolate sous l'action de la formiate-tétrahydrofolate ligase (EC 6.3.4.3) pour former du 10-formyltétrahydrofolate avec hydrolyse concomitante d'une molécule d'ATP en ADP et P_i :

Tétrahydrofolate + HCOO⁻ + ATP  ${\displaystyle \rightleftharpoons }$  10-formyltétrahydrofolate + ADP + P_i.

Le 10-formyltétrahydrofolate subit alors une série de réactions qui le convertissent en 5-méthyltétrahydrofolate via le 5,10-méthylènetétrahydrofolate, réactions au cours de laquelle le groupe formyle –CHO est réduit en groupe méthyle –CH₃, lequel est ensuite transféré par une méthyltransférase à l'atome de cobalt d'une méthylcobalamine jouant le rôle de cofacteur d'une protéine fer-soufre à corrinoïde^[7] (CFeSP). Cette protéine se lie ensuite à l'acétyl-CoA-synthase, ce qui lui permet de fournir le groupe méthyle de la condensation à suivre.

La seconde molécule de CO₂ est réduite en monoxyde de carbone CO par la CO-déshydrogénase (CODH, EC 1.2.99.2), qui demeure liée à l'acétyl-CoA-synthase :

CO₂ + AH₂  ${\displaystyle \rightleftharpoons }$  CO + H₂O + A,

où A représente un accepteur d'électrons. Cette enzyme peut former un complexe membranaire avec l'hydrogénase, ou hydrogène lyase (EC 1.12.99.6), qui catalyse quant à elle la réaction :

H₂ + A  ${\displaystyle \rightleftharpoons }$  AH₂, A représentant un accepteur d'électrons.

Ces deux enzymes, qui sont des protéines fer-soufre contenant du nickel, permettent, lorsqu'elles fonctionnent ensemble, de réduire le CO₂ en CO en utilisant directement l'hydrogène H₂ du milieu environnant. Les microorganismes qui se développent en présence de CO peuvent fixer ce dernier directement sans devoir préalablement réduire de CO₂ par la CODH pour le former.

Enfin, l'acétyl-CoA-synthase (EC 2.3.1.169) produit de l'acétyl-CoA à partir (1) du groupe méthyle –CH₃ fourni par la protéine à corrinoïde au cours de la branche du méthyle, (2) du monoxyde de carbone C≡O formé si besoin par la CODH qui fournit le groupe carbonyle >C=O, et (3) de la coenzyme A :

[CH₃] + [CO] + CoA–SH → CoA–S–CO–CH₃.

La voie de Wood-Ljungdahl est essentiellement semblable chez les archées à celle qu'on trouve chez les bactéries, hormis quelques différences détaillées ci-dessous.

Ainsi, le cofacteur de la branche du méthyle diffère entre bactéries et archées : là où les premières utilisent le THF, les secondes en utilisent deux : le méthanofurane (MFR) est tout d'abord formylé en formylméthanofurane (formyl-MFR) avec oxydation d'une ferrédoxine, puis le formyl-MFR cède son groupe formyle à la tétrahydrométhanoptérine (THMPT) pour donner de la formyltétrahydrométhanoptérine (formyl-THMPT), laquelle est réduite en méthyltétrahydrométhanoptérine (méthyl-THMPT) par une séquence de réactions semblable à celle observée chez les bactéries, les électrons provenant de la coenzyme F₄₂₀.

La branche du carbonyle des archées utilise une ferrédoxine pour réduire le CO₂ en CO, tout comme la branche du méthyle lors de la formylation du méthanofurane.

Ce mode de fixation du carbone est probablement le plus ancien apparu sur terre, peut-être un milliard d'années avant que ne commence la libération de l'oxygène^[5]. L'acétyl-CoA formée peut ensuite être convertie en pyruvate par une enzyme à ferrédoxine, la pyruvate-synthase (EC 1.2.7.1) qui catalyse la fixation d'une troisième molécule de CO₂ :

CO₂ + Acétyl-CoA + 2 ferrédoxines réduites + 2 H⁺  ${\displaystyle \rightleftharpoons }$  pyruvate + CoA–SH + 2 ferrédoxines oxydées.

Le pyruvate peut alors être converti en triose phosphate moyennant l'hydrolyse en ADP de trois molécules d'ATP. C'est un moyen énergétiquement économe de produire de tels précurseurs métaboliques, mais cette voie nécessite de nombreux cofacteurs et surtout des métaux pas toujours abondants dans les systèmes biologiques : fer, cobalt, nickel et molybdène ou tungstène.

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