Метилотрофы: процессы окисления
В отношении способа питания различают две основные группы метилотрофов: факультативные и облигатные . Факультативные метилотрофы наряду с одноуглеродными могут использовать и некоторые полиуглеродные соединения. Группа облигатных метилотрофов включает эубактерии, использующие только одноуглеродные соединения.
Процесс полного окисления метана может быть представлен в виде следующей схемы ( рис. 99 ).
Первый этап - окисление метана до метанола катализируется метанмонооксигеназой в реакции:
СН4 + О2 + Н2A переходит в СН3ОН + A + Н2О,
где О2 - молекулярный кислород, а Н2A - восстановитель. Из приведенной реакции становится понятной облигатная зависимость окисления метана от молекулярного кислорода.
Описаны две формы метанмонооксигеназы : связанная с внутрицитоплазматическими мембранами и растворимая. Донором электронов для первой предположительно может быть восстановленный цитохром с или НАД*Н2 , образующийся в результате обратного электронного транспорта, для второй - только НАД(Ф)*Н2 или соединения, которые окисляются с его образованием. Остальные этапы окисления катализируются соответствующими дегидрогеназами, различающимися строением, природой акцепторов электронов и другими параметрами.
Формальдегид у метилотрофов является ключевым метаболитом, на уровне которого расходятся конструктивные и энергетические пути. Часть формальдегида превращается в вещества клетки по специфическим для этих эубактерий ассимиляционным циклическим путям, большая часть окисляется до СО2 в линейной последовательности реакций через формиат .
Дыхательные цепи метилотрофов по составу переносчиков и их локализации на мембране похожи на таковые большинства аэробных эубактерий, что предполагает возможность функционирования у них трех пунктов сопряжения. В окислительном метаболизме С1-соединений участвуют НАД , флавины , хиноны , цитохромы типа b, с, а, о.
Этап окисления метана до метанола, катализируемый оксигеназным ферментом, не связан с получением клеткой энергии. Энергетическая эффективность окисления С1-соединений соответствующими дегидрогеназами определяется местом поступления электронов в дыхательную цепь. Окисление метанола до формальдегида, катализируемое ферментом, содержащим в качестве простетической группы особый хинон, сопровождается передачей электронов в дыхательную цепь на уровне цитохрома с. Это приводит к синтезу одной молекулы АТФ , т.е. указывает на функционирование только третьего пункта сопряжения ( рис. 96 ).
Окисление формальдегида и формиата, зависимое от НАД, позволяет предполагать, что перенос пары электронов может быть связан с тремя трансмембранными перемещениями протонов. Полученные экспериментальные данные указывают, однако, на меньшие выходы АТФ. Вопрос о том, на каком уровне передаются электроны от формальдегида и формиата в дыхательную цепь, не вполне ясен.
У метилотрофов функционируют циклические пути ассимиляции С1-соединений, ответственные за превращения их в вещества клетки: восстановительный пентозофосфатный , рибулозомонофосфатный и сериновый циклы . В восстановительном пентозофосфатном цикле ( рис. 77 ) происходит ассимиляция СО2 , образующейся при окислении С1-соединений. У метилотрофов этот путь не имеет широкого распространения и обнаружен только у представителей, способных расти автотрофно , а также у тех, кто может использовать формиат .
В рибулозомонофосфатном и сериновом циклах обеспечивается использование в биосинтетических процессах формальдегида, образуемого при окислении разных С1-соединений. Первая реакция рибулозомонофосфатного пути - акцептирование формальдегида молекулой рибулозо-5-фосфата, приводящее к образованию гексулозо-6-фосфата, который изомеризуется затем во фруктозо-6-фосфат ( рис. 100 , А), Ферменты, катализирующие обе реакции, специфичны для данного цикла. Далее возможны разные варианты. По одному из них фруктозо-6-фосфат подвергается фосфорилированию . Образовавшийся фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две триозы: 3-фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон. 3-ФГА и фруктозо-6-фосфат участвуют в серии реакций, приводящих к регенерации акцептора формальдегида - рибулозо-5-фосфата. Эти реакции аналогичны таковым восстановительного пентозофосфатного цикла ( рис. 77 ). Три оборота рибулозомонофосфатного цикла приводят к синтезу молекулы фосфодиоксиацетона, используемого в биосинтетических процессах.
Сериновый цикл существенно отличается от предыдущего пути ассимиляции формальдегида природой интермедиатов и ферментами ( рис. 100 , Б). Ключевая реакция этого пути - конденсация формальдегида и глицина в присутствии тетрагидрофолиевой кислоты , приводящая к образованию серина . Последний в реакции трансаминирования превращается в оксипировиноградную кислоту , последовательное восстановление и фосфорилирование которой приводит к образованию 3-ФГК. Одна часть 3-ФГК используется для синтеза вещества клетки, другая превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту (ФЕП) . Последующее карбоксилирование ФЕП приводит к синтезу молекулы щавелевоуксусной кислоты . Эта реакция примечательна тем, что в сериновый цикл вовлекается СО2 . Последующая серия реакций приводит к регенерированию глицина, и цикл замыкается.
Ассимиляция формальдегида через рибулозомонофосфатный цикл характерна для метилотрофов, имеющих мембранную организацию I типа, а через сериновый - для метилотрофов с системой внутрицитоплазматических мембран II типа (см. " Метилотрофы: общие сведения ").
ЦТК в системе катаболических путей не занимает ведущего места. У ряда облигатных метилотрофов он не "замкнут" ( рис. 85 ). Если даже содержит все ферменты, активность некоторых из них невысока.
Изучение этой специфической группы эубактерий привело к заключению о ее близости к автотрофам . Это проявляется как в способности метилотрофов синтезировать все вещества клетки из С1-соединений, так и функционированию развитого у них механизма ассимиляции СО2 в восстановительном пентозофосфатном цикле .
Одноуглеродные соединения, в первую очередь метан, широко распространены в природе. Метан - конечный продукт жизнедеятельности одной из групп архебактерий , отход ряда промышленных процессов, основной компонент газов геохимического происхождения. Метанол - один из продуктов разложения пектинов , осуществляемого в природе с участием разнообразных микроорганизмов. Формиат - довольно распространенный продукт сбраживания углеводов и других углеродных субстратов. Метанол , формальдегид , формиат - отходы разнообразных химических процессов, осуществляемых в крупных масштабах. Однако в биосфере метан и другие С1-соединения поддерживаются на постоянном уровне главным образом за счет деятельности метилотрофов.
Метилотрофы - обитатели водоемов и почв различного типа, где идут процессы с образованием одноуглеродных соединений. Их выделяют из сточных вод, с гниющих растительных остатков, из рубца жвачных животных. Интерес к изучению метилотрофов связан не только с особенностями их метаболизма, но и с перспективами их практического использования: метилотрофы характеризуются активным ростом, высокими выходами биомассы, большим содержанием полноценного белка в клетке; являются эффективными продуцентами различных веществ.
