Метилотрофы

Среди прокариотных и эукариотных микроорганизмов довольно широко распространена способность использовать для роста многие соединения, содержащие один атом углерода, более восстановленные, чем CO₂, а также соединения, содержащие больше одного углеродного атома, но не имеющие С-С-связей. К веществам первого типа относятся окись углерода (CO), метан (CH₄), метанол (CH₃OH), формальдегид (HCOH), муравьиная кислота (HCOOH), метиламин (CH₃NH₂), хлорметан (CH₃Cl), цианистый калий (KCN) и др. Примером соединений второго типа служат ди- и триметиламины [(CH₃)₂NH, (CH₃)₂N], диметилсульфид [(CH₃)₂S], метилформиат (CH₃COOH)⁶⁸ и др. Обычно такие соединения называются одноуглеродными, или C₁-соединениями. В большинстве из них углерод представлен в виде метильной группы, поэтому микроорганизмы, использующие эти соединения, получили название метилотрофов.

⁶⁸ Структурная формула метилформиата:

Использовать C₁-соединения могут многие аэробные и анаэробные прокариоты. Среди анаэробов такой способностью обладают, например, сульфатвосстанавливающие эубактерий, метанобразующие архебактерии, многие типичные хемо- и фототрофные эубактерии. К метилотрофам относят облигатно аэробные эубактерии, обладающие способностью использовать в качестве единственного источника углерода и энергии одноуглеродные соединения. Круг таких организмов широк. Это различные грамположительные и грамотрицательные формы — представители Pseudomonas, Bacillus, Hyphomicrobium, Protaminobacter, Arthrobacter, Nocardia и др.

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.

В IX издании Определителя бактерий Берги облигатные и факультативные метилотрофы выделены в семейство Methylococcaceae, включающее роды Methylococcus и Methylomonas. Основной признак, принятый во внимание при выделении в это семейство, — способность использовать метан в качестве единственного источника углерода и энергии в аэробных или микроаэробных условиях.

Метилотрофы, отнесенные к семейству Methylococcaceae, грамотрицательные эубактерии с разной морфологией и размерами клеток, подвижные или неподвижные. Некоторые штаммы образуют цисты. Характерной особенностью при росте на метане является наличие в клетке развитой системы внутрицитоплазматических мембран, которые могут быть разделены на два типа: внутрицитоплазматические мембраны I типа представлены стопками плотно упакованных везикулярных дисков, распределенных по всей цитоплазме; внутрицитоплазматические мембраны II типа имеют вид ламелл, расположенных по периферии клетки.

Помимо метана в качестве единственного источника углерода и энергии облигатные метилотрофы могут использовать метанол, формальдегид и другие C₁-соединения, а факультативные — также C₂-, C₄-кислоты, этанол, глюкозу. Использование метилотрофами C₁-соединений в конструктивном и энергетическом метаболизме привело к формированию у них специфических путей ассимиляции и диссимиляции этих соединений.

Процесс полного окисления метана может быть представлен в виде следующей схемы (рис. 99).

Первый этап — окисление метана до метанола катализируется метанмонооксигеназой в реакции:

CH₄ + O₂ + H₂A ® CH₃OH + A + H₂O.

где O₂ — молекулярный кислород, а H₂A — 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-H₂, образующийся в результате обратного электронного транспорта, для второй — только НАД(Ф)-H₂ или соединения, которые окисляются с его образованием. Остальные этапы окисления катализируются соответствующими дегидрогеназами, различающимися строением, природой акцепторов электронов и другими параметрами.

Рис. 99. Окисление метана и связь энергетического и конструктивного метаболизма у метилотрофов: Ф₁ — метанмонооксигеназа; Ф₂ — метанолдегидрогеназа; Ф₃ — формальдегиддегидрогеназа; Ф₄ — формиатдегидрогеназа; ассимиляционные циклы: 1 — рибулозомонофосфатный, 2 — сериновый, 3 — восстановительный пентозофосфатный

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 CO₂ 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 окислитель-ком метаболизме C₁-соединений участвуют НАД, флавины, хиноны, цитохромы типа b, c, a, o.

Этап окисления метана до метанола, катализируемый оксигеназным ферментом, не связан с получением клеткой энергии. Энергетическая эффективность окисления C₁-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 c. Это приводит к синтезу одной молекулы АТФ, т. е. указывает на функционирование только третьего пункта сопряжения (см. 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 C₁-соединений, ответственные за превращения их в вещества клетки: восстановительный пентозофосфатный, рибулозомонофосфатный и сериновый. В восстановительном пентозофосфатном цикле (см. рис. 77) происходит ассимиляция CO₂, образующейся при окислении C₁-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 C₁-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 (см. 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. Последующее карбоксилирование ФЕП приводит к синтезу молекулы щавелевоуксусной кислоты. Эта реакция примечательна тем, что в сериновый цикл вовлекается CO₂. 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.

Рис. 100. Пути ассимиляции формальдегида метилотрофами. А — рибулозомонофосфатный цикл: Ф₁ — гексулозофосфатсинтаза; Ф₂ — фосфогексулозоизомераза; Ф₃ — фосфофруктокиназа; Ф₄ — фруктозодифосфатальдолаза; прерывистой линией обозначены реакции регенерации рибулозо-5-фосфата, аналогичные соответствующим реакциям, изображенным на рис. 77. Б — сериновый цикл: Ф₁ — сериноксиметилтрансфераза; Ф₂ — серинглиоксилатаминотрансфераза; Ф₃ — оксипируватредуктаза; Ф₄ — глицераткиназа; Ф₅ — енолаза; Ф₆ — ФЕП-карбоксилаза; Ф₇ — малатдегидрогеназа; Ф₈ — малаттиокиназа; Ф₉ — малил-КоА-лиаза

ЦТК в системе катаболических путей не занимает ведущего места. У ряда облигатных метилотрофов он не "замкнут" (см. 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 CO₂ 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.

Дата добавления: 2015-08-03