2.2.7. Использование микроорганизмами азотистых оснований

Пуриновые и пиримидиновые основания высвобождаются при разложении ДНК, РНК и нуклеотидов с помощью ферментов рибонуклеаз и дезоксирибонуклеаз. Их способны использовать многие аэробные и анаэробные микроорганизмы.

Анаэробное разложение (сбраживание) азотистых оснований

Пуриновые основания сбраживают анаэробные бактерии Clostridium acidiurici, C. purinolyticum, Peptostreptococcus asaccharolyticus. Эти микроорганизмы настолько «специализировались» на сбраживании данных соединений, что не могут расти ни на каком другом субстрате.

Сбраживание пуриновых оснований начинается с их превращения в ксантин (рис. 35), который далее разлагается с образованием аммиака, диоксида углерода, формиата и ацетата. Суммарные реакции сбраживания пуринов выглядят следующим образом:

Гуанин + 7Н₂О + 4 Н⁺ → 5NН₄⁺ + 3СО₂ + Ацетат^-,

Аденин + 8Н₂О + 3Н⁺ → 5NН₄⁺ + 2СО₂ + Формиат^- + Ацетат^-

Пиримидиновые основания сбраживают только некоторые виды бактерий, например, Clostridium uracilium, C. oroticum и C. barkeri. Хорошо изучены лишь процессы восстановления урацила. Показано, что при росте на среде сложного состава бактерии С. uracilium восстанавливают урацил до дигидроурацила, который далее гидролизуется с образованием СО₂, аммиака и β-аланина:

Урацил + 2Н₂О + 3Н⁺ + 2ē → NН₄⁺ + СО₂ + β-аланин

Далее в результате простого β-элиминирования β-аланин превращается в β-аланин-КоА, а затем в акрилоил-КоА, который через образование пропионил-КоА восстанавливается в пропионовую кислоту.

Таким образом, способностью сбраживать азотистые основания обладает небольшая группа клостридий и родственных им организмов. Катаболизм всех пуриновых оснований начинается с их превращения в ксантин, который далее разлагается с образованием аммиака, диоксида углерода, формиата и ацетата. Механизм разложения пиримидиновых оснований исследован только для урацила. Это основание расщепляется с образованием β-аланина и аспартата соответственно.

Рис. 35. Превращение аденина, гуанина и урата в ксантин:

1 – адениндезаминаза; 2 – гуаниндезаминаза; 3 – ксантиноксидаза;

4 – ксантиндегидрогеназа

Аэробное окисление азотистых оснований

Пуриновые основания в аэробных условиях окисляются до глиоксилата и мочевины (рис. 36). На первой стадии разложения аденин и гуанин превращаются в ксантин, который ксантиноксидаза окисляет до мочевой кислоты. Далее мочевая кислота окисляется до аллантоина, после чего происходит его гидролиз с образованием аллантоиновой кислоты.

Рис. 36. Аэробное разложение пуриновых оснований:

1 – адениндезаминаза; 2 – гуаниндезаминаза; 3 – ксантиноксидаза; 4 – уриказа; 5 – аллантоиназа; 6 – аллантоиказа; 7 – амидогидролаза аллантоиновой кислоты; 8 – аминогидролаза уреидоглицина; 9 – уреидогликолаза

Аллантоиновая кислота разными путями у различных микроорганизмов разлагается на глицин и мочевину. Далее глицин превращается в глиоксилат, а мочевина под действием никельсодержащей уреазы гидролизуется до СО₂ и аммиака:

Н₂N–CO–NН₂ + Н₂О → 2NН₃ + СО₂

В аэробных условиях пиримидиновые основания окисляются с образованием β-аланина. Разложение цитозина начинается с его дезаминирования до урацила, который через 5,6-дигидроурацил и уреидопропионат превращается в β-аланин (рис. 37). β-аланин подвергается окислительному дезаминированию с образованием малонового полуальдегида, который далее окисляется до малонил-КоА. Тимин разлагается с образованием промежуточного продукта β-аминоизобутират, который окисляется далее до метилмалоновой кислоты. Метилмалоновая кислота через образование метилмалонил-КоА превращается в сукцинат.

Рис. 37. Аэробное разложение пиримидиновых оснований (цитозина и урацила):

1 – цитозиндезаминаза; 2 – 5, 6-дигидроурацилдегидрогеназа;

3 – 5, 6-дигидроурацилгидролаза; 4 – β-уреидопропионаза