Лекция 9. Ассимиляция углеродсодержащих соединений микроорганизмами
План
Ассимиляция углеводородов микроорганизмами. Схема включения этанола и ацетата в метаболические процессы. Особенности метаболизма метилотрофных микроорганизмов.В. 1. Ассимиляция углеводородов микроорганизмами.
Углеводороды широко используются в качестве углеродных субстратов при культивировании микроорганизмов, в первую очередь, дрожжей. Целевые продукты, синтезируемые микроорганизмами при культивировании на углеводородных средах, делят на три группы:
1). Метаболиты, не отличающиеся от продуктов микробного синтеза, порлучаемых на углеводных средах ( аминокислоты, органические кислоты, углеводы, водорастворимые витамины, антибиотики, ферменты);
2). Жирорастворимые вещества, продуцирование которых значительно усиливается при ассимиляции клетками углеводородов (липопротеины, гликолипиды, коэнзим А, жирорастворимые витамины и их предшественники);
3). Метаболиты, строение которых связано со структурой углеводородных субстратов; синтезируются только при наличии в среде последних (щ-аминокислоты; спирты; жирные кислоты).
Способностью к ассимиляции углеводородов обладают дрожжи, в первую очередь, рода Candida; некоторые культуры грибов; отдельные виды бактерий Actinomyces, Streptomyces, Bacillus.
При исследовании ассимиляции дрожжами углеводородов были выявлены следующие общие закономерности:
- алифатические углеводороды ассимилируются значительно быстрее и эффективнее, чем ароматические и С1-содержащие углеводороды (и вообще все галогенопроизводные), ароматические соединения даже в низких концентрациях токсичны для алканутилизирующих дрожжей; многие виды дрожжей способны утилизировать 1-алкены, однако, выход биомассы в данном случае ниже, чем при ассимиляции культурой соответствующих алканов; наиболее доступными для клеток дрожжей являются алканы с длиной цепи С9-С18; расщепление более длинных цепей затруднено, а жидкие алканы С5-С8 проявляют способность к растворению компонентов цитоплазматической мембраны; изоалканы доступны для микроорганизмов только тогда, когда содержат в своем составе достаточно длинные линейные участки.
В соответствии с современными представлениями, механизм ассимиляции алканов включает следующие стадии:
- окисление н-алканов моноксигеназной системой переноса электронов, включающей ФАД-зависимую редуктазу, железосодержащий белок рубредоксин и алкан-1-гидролазу, имеющую активный центр, специфичный к СН3-радикалам линейных алканов:
НАДН редуктаза рубредоксин R-CH2-CH3
(ФАД) (Fe2+) O2
1-алкангидролаза
редуктаза рубредоксин Н2О
НАД (ФАДН2) (Fe3+) R-CH2-CH2-ОН
Образовавшийся спирт подвергается окислению до альдегида и далее до соответствующей жирной кислоты;
- гидропероксидация н-алканов, включает образование алкилгидроперекисей из сводобных радикалов и их восстановление в первичные и вторичные спирты:
R-CH2-CH3
R-CH-CH3 R-CH2-CH2
О2; R\H
OOH OOH
R-CH-CH3 R-CH2-CH2
OH
R-CH-CH3 R-CH2-CH2 - OH
- дегидрирование алканов в соответствующие алкены:
О Н2О ОН
О2 R-CH CH3 R-CH-CH2ОН
R-CH2-CH3 R-CH=CH2
НАД НАДН Н2О R-CH2-CH2 - НO
- каталитическое превращение образовавшихся жирных кислот до ацетил-КоА по механизму в-окисления.
В.2. Схема включения этанола и ацетата в метаболические процессы.
Дрожжи Saccharomyces cereviseae, Candida utilis, Hansenula anomala; уксуснокислые бактерии Acetobacter oxydans; A. aceti и др. способны ассимилировать этанол. Важной метаболической особенностью микроорганизмов, способных ассимилировать этанол, является наличие специфической митохондриальной алкогольдегидрогеназы, катализирующей окисление этанола в ацетальдегид. Последний под действием альдегиддегидрогеназы трансформируется в ацетил-КоА:
HS-KoA
С2Н5ОН СН3СНО СН3СОSКоА в ЦТК
НАД НАДН НАД НАДН
Ацетил-КоА может трансформироваться под действием фосфоацилтрансферазы и ацетилкиназы в уксусную кислоту:
Н3РО4 О2 АДФ АТФ
СН3-СО-SКоА СН3-СОО-Ф СН3СООН
НS-КоА НАДН НАД
*) Активность алкогольдегидрогеназы регулируется СН3СНО и СН3СООН по механизму «обратной связи».
Биохимическое значение данных реакций заключается в том, что в условиях дефицита кислорода клетки могут снизить потребность в молекулярном кислороде за счет экскреции ацетата в питательную среду. При этом, затрачивая 1 моль О2 на 1 моль этанола, клетка продуцирует 5 моль АТФ.
Данная ферментная система участвует в биохимических реакциях ассимиляции уксусной кислоты:
АТФ АДФ НS-KoA
СН3-СООН СН3СООФ СН3СО-SkoA
H3PO4
В.3. Особенности метаболизма метилотрофных микроорганизмов.
К метилотрофным относят микроорганизмы, использующие в качестве углеродных субстратов метан и метанол.
Окисление метана в метанол осуществляется бактериями Methylomonas; Methylococcus; Methylosinus и катализируется ферментом метанмоно-оксидазой, специфичной к одноуглеродным субстратам, и локализованным в клеточной мембране:
О2 Н2О
СН4 СН3ОН НСНО
НАДН НАД НАД НАДН
Окисление метанола в формальдегид, помимо вышеперечисленных, осуществляют бактерии Methylophilus, некоторые виды Pseudomonas. Процесс катализируется ферментом метанолдегидрогеназой, для проявления активности которого необходимо присутствие кофермента – феназинметилсульфата. У метанолутилизирующих дрожжей Candida boidinii и Pichia pinus, данная реакция катализируется ФАД-зависимой метанол-оксидазой. Оба фермента индуцибельны в отношении метанола. Завершающей стадией включения метана и метанола в метаболические процессы клетки является окисление формальдегида:
НАД НАДН НАД НАДН
НСНО НСООН СО2 + 2Н+
Н2О
Данный процесс, помимо феназинметасульфатсвязанной метанол-дегидрогеназы, способны катализировать ряд формальдегиддегидрогеназ. Выявлены два основных пути утилизации формальдегида, приводящие к синтезу С3- и С4- соединений.
1 путь. Сериновый путь. Предусматривает последовательность реакций конденсации формальдегида, глицина и СО2 в яблочную кислоту. У метило-трофных микроорганизмов выявлены два варианта данного метаболического пути: с участием изоцитратлиазы («+» - вариант) и без участия данного фермента («-» - вариант). В первом случае цепь превращений катализируется цитратсинтетазой, аконитатгидратазой и изоцитратлиазой; «-» - вариант предусматривает аналогичную последовательность реакций, но без вовлечения ферментов изоцитратлиазы.
Общая схема процесса:
НСНО НСООН СО2
ТГФК
С1 – ТГФК ТГФК
Глицин Серин
окси-ПВК
АТФ
НАДН
НАД
АДФ
2-ФГК 3-фосфоглицерат
ФЕП
СО2
ЩУК
Глиоксиловая кислота НАДН
НАД
Яблочная кислота
изолимонная кислота НS-КоА АТФ
янтарная кислота АДФ
Малил-КоА
Лимонная кислота ЩУК
Ацетил-КоА
ТГФК – тетрагидрофолевая кислота; - трансоксиметилаза;
- оксипируваткиназа; - фосфоенолпируваткарбоксилаза;
- малил-КоА-лиаза; - изоцитратлиаза.
Энергентическая эффективность серинового пути равна 12,5 АСБ/моль АТФ.
1 путь. Рибулозомонофосфатный путь. Он представляет собой модифицированный вариант пентозофосфатного цикла. Ключевой реакцией является конденсация формальдегида с молекулой рибулозо-5-фосфата.
НСОН
Рибулозо-5- Ф гексулозо – 6 – Ф
СО2
НАДФН фруктозо-6- Ф
НАДФ
G-фосфоглюконовая к-та глюкозо –6- Ф
НАДФН НАДФ
- гексулозофосфат синтетаза; - гексулозофосфатизомераза;
- глюкозофосфатизомераза; - глюкозо-6-фосфатдегидро-геназа; - фосфоглюконатдегидрогеназа.
Ключевой фермент специфичен к формальдегиду и D-риболозо-5-фосфату; активируется ионами Mg2+ и Mn2+, ингибируется ионами Ni2+, Ca2+, Cu2+.
В целом энергетическая эффективность процесса составляет 27,3 г АСБ/моль АТФ.
