Протеолитические клостридии
К протеолитическим относятся клостридии, имеющие активные протеолитические ферменты и поэтому способные использовать в качестве субстратов белки и пептиды, гидролизуя их до аминокислот и подвергая затем последние сбраживанию. В эту группу входят Сlostridium putrifitcum , Сlostridium histolyticum , Сlostridium sporogenes и другие сапрофитные виды. Близки к этим видам и некоторые патогенные формы: Сlostridium botulinum - продуцент ботулина - экзотоксина, являющегося одним из самых сильных биологических ядов; Сlostridium tetani - столбнячная палочка, образующая в организме человека столбнячный токсин.
К протеолитическим клостридиям примыкают виды, использующие в качестве источника углерода и энергии ограниченное число свободных аминокислот. Например, Сlostridium cochlearium растет только на среде с глутаминовой кислотой, глутамином и гистидином; Сlostridium sticklandii может сбраживать лизин, аргинин, фенилаланин, серии, а Сlostridium propionicum - треонин, аланин, серии, цистеин.
Известны два типа сбраживания аминокислот клостридиями. Для многих клостридиев одна аминокислота может служить источником энергии и углерода, например, глутаминовая кислота - для Сlostridium tetanomorphum , лизин - для Сlostridium sticklandii . В этом случае ее диссимиляция приводит к возникновению метаболитов, характерных для гликолитического пути , и в первую очередь пирувата. У Сlostridium sticklandii сбраживание лизина приводит к образованию масляной и уксусной кислот и NH3, а у Сlostridium tetanomorphum при сбраживании глутаминовой кислоты в дополнение к перечисленным выше продуктам образуется некоторое количество СО2.
Ряд аминокислот может подвергаться сбраживанию клостридиями только парами. Механизм процесса был расшифрован Л.Стиклендом (L.Stickland) в 1934 г., показавшим, что при этом происходит сопряженное окисление- восстановление пары аминокислот, одна из которых окисляется, другая - восстанавливается. Такой тип сбраживания аминокислот получил название реакции Стикленда . Окисляемыми аминокислотами, т.е. донорами электронов, служат аспарагин, аланин, валин, серии, гистидин и др. Восстанавливаемые аминокислоты - глицин, пролин, орнитин, аргинин и др.
Наиболее обстоятельно изучен процесс сопряженного сбраживания аланина и глицина, которые, как правило, поодиночке большинством клостридиев не используются. Первым этапом превращений аланина является его окислительное дезаминирование, приводящее к образованию соответствующей альфа-кетокислоты, в данном случае пирувата:
СН3-CHNH2-СООН + НАД+ + Н2О приводит к
СН3-СО-СООН + NH3 + НАД*Н2, где
СН3-CHNH2-СООН - аланин, а
СН3-СО-СООН - пируват.
Пировиноградная кислота затем подвергается окислительному декарбоксилированию в реакции, катализируемой пируват: ферредоксин- оксидоредуктазой, приводящей в конечном итоге к синтезу молекулы АТФ и ацетата. На двух этапах окислительного преобразования аланина возникают восстановленные переносчики, которые используются для восстановления второй аминокислоты - глицина. Восстановительное дезаминирование глицина до ацетата - довольно сложная реакция. Катализирующая ее ферментная система связана с мембраной и состоит из нескольких белков, включая белок, содержащий селен:
CH2NH2-COOH + НАД*Н2 приводит к СН3-СООН + NH3 + НАД+, где
CH2NH2-COOH - глицин, СН3-СООН - ацетат.
В целом сопряженные окислительно-восстановительные превращения аланина и глицина могут быть выражены следующим образом:
аланин + 2Н2О приводит к ацетат + NH3 + СО2 + 4Н;
2 глицин + 4Н приводит к 2 ацетат + 2NH3.
Получение энергии при сбраживании этой пары аминокислот связано с окислением аланина и соответствует 1 молекуле АТФ на молекулу окисленного аланина.
