12

Лекция 10. АССИМИЛЯЦИЯ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ И АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ МИКРООРГАНИЗМАМИ

1. Ассимиляция углеводородов микроорганизмами. Особенности метаболизма метилотрофных микроорганизмов.

2. Схема включения этанола и ацетата в метаболические процессы.

3. Схема β- и α-окисления жирных кислот.

4. Механизмы ассимиляции азотсодержащих соединений.

5. Взаимосвязь обмена белков, липидов и углеводов в клетках микроорганизмов.

В. 1. Ассимиляция углеводородов микроорганизмами. Особенности метаболизма метилотрофных микроорганизмов.

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, получаемых 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 (ω-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:

1. Образование макроэмульсий (1-100 мкм) в результате перемешивания частиц и микроэмульсий (0,01-0,5 мкм) под действием ПАВ-эмульгаторов, продуцируемых клетками микроорганизмов (определяющая характеристика ассимиляции углеводородов!!!).

2. Сорбция эмульгированных частиц н-алканов (простая диффузия) и перемещение через клеточную мембрану по механизму активного транспорта за счет образования комплексов с липополисахаридами клеточной мембраны по специальным каналам;

3. Окисление н-алканов в соответствующие жирные кислоты, может осуществляться по трем направлениям:

• 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:

Н АДН редуктаза рубредоксин (Fe²⁺) R-CH₂-CH₃

(ФАД) О₂

1-алкангидролаза редуктаза Н₂О

R-CH₂-CH₂-ОН

НАД (ФАДН₂) рубредоксин (Fe³⁺)

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

4. Каталитическое превращение образовавшихся жирных кислот до ацетил-КоА по механизму β-окисления.

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 метанмонооксидазой, специфичной к одноуглеродным субстратам, и локализованным в клеточной мембране:

О₂ Н₂О

С Н₄ 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

Н СНО НСООН СО₂ + 2Н⁺

Н₂О

Данный процесс, помимо феназинметасульфат-связанной метанолдегидрогеназы, способны катализировать ряд формальдегиддегидрогеназ. Выявлены два основных пути утилизации формальдегида, приводящие к синтезу С₃- и С₄-соединений.

1. Сериновый путь. Предусматривает последовательность реакций конденсации формальдегида, глицина и СО₂ в яблочную кислоту. У метилотрофных 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:

Н СНО 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

и золимонная кислота НS-КоА АТФ

янтарная кислота АДФ

Малил-КоА

Лимонная кислота ЩУК

Ацетил-КоА

Т ГФК – тетрагидрофолевая кислота; - трансоксиметилаза;

- оксипируваткиназа; - фосфоенолпируваткарбоксилаза;

- малил-КоА-лиаза; - изоцитратлиаза.

Энергетическая эффективность серинового пути равна 12,5 АСБ/моль АТФ.