Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
О путях образования этилового спирта
Изложенные данные позволяют составить определенное представление о том, насколько широко распространено образование этилового спирта среди разных групп прокариот и насколько различны метаболические пути, ведущие к его синтезу. Из этого следует, что накопление в культуральной среде этилового спирта само по себе не может служить указанием на место процесса, приводящего к его образованию, в эволюции. Этиловый спирт у прокариот может быть одним из конечных продуктов как эволюционно более ранних, (гликолиз), так и более поздних (окислительный пенхозофосфатный цикл, путь Энтне-ра — Дудорова) катаболических процессов. До сих пор среди прокариот не обнаружены организмы, сохранившие черты примитивности энергетического и конструктивного метаболизма, у которых спиртовое брожение служило бы единственным способом получения энергии. Тот факт, что наиболее четко и в самом «классическом» виде спиртовое брожение проявляется у дрожжей, форм эукариотных, не может, как нам кажется, ставить под сомнение его место в эволюции анаэробных энергетических процессов.
7 М. В. Гусев, Л. А. Мииеева
193
Пропионовокислое брожение
Из рассмотренных двух типов брожения видно, что ключевым соединением в обоих процессах является пируват, поскольку в конечном; счете специфика брожения определяется дальнейшей судьбой пирува-та. Основная задача последующих реакций — регенерирование молекулы НАД+ и возвращение ее в клеточный метаболизм. Прямое восстановление пирувата с помощью НАД •H2 до молочной кислоты реализуется в молочнокислом брожении. Другая возможность регенерирования НАД+ — «сбрасывание» водорода с НАД•H2 на фрагменты, образуемые при метаболизме пирувата, — имеет место в спиртовом брожении, осуществляемом дрожжами и некоторыми видами бактерий. Третья возможность связана с синтетическим процессом — усложнением молекулы пирувата, в результате !которого создается более окисленная молекула акцептора, способная принять больше электронов с~ восстановленных переносчиков. Это происходит при присоединении к молекуле пирувата CO2, приводящем к формированию четырехугле-родного скелета. Процесс получил название гетеротрофной ассимиляции углекислоты.
Впервые гетеротрофная ассимиляция углекислоты была обнаружена в 1936 г. X. Вудом и К. Веркманом (Н. Wood, С. Werkman) при изучении сбраживания глицерина пропионовыми бактериями. Карбок-силирование пирувата, приводящее к образованию щавелевоуксусной кислоты, получило название реакции Вуда — Веркмана. У прокариот обнаружены различные реакции карбоксилирования пирувата или его-фосфорилированного производного. В настоящее время показано, что-реакции карбоксилирования имеют место у всех гетеротрофных прокариот, а также в клетках всех эукариотных организмов, включая высшие растения и животных. Кроме того, в больших масштабах в-природе реакции связывания CO2 осуществляются автотрофными организмами в процессе хемо- и фотосинтеза.
В пропионовокислом брожении мы имеем дело с реализацией*
Пируват
I
Пропионовая кислота
Рис. 58. Схематическое изображение превращения пировиноградной
кислоты в пропионовую при пропионовокислом брожении: Ф1 — метилмалонил-КоА-карбоксилтрансфераза; Ф2 — малатдегид-рогеназа; Ф3 — фумараза; Ф4 — фумаратредуктаза; Ф5 — KoA-трансфераза; Фе — метилмалонил-КоА-мутаза (по Dagley, Nicholson, 1973; Rose, 1971)
194
третьей возможности превращения пирувата — его карбоксилировани-•ем, приводящим к возникновению нового акцептора водорода — щаве-левоуксусной кислоты (ЩУК). Восстановление пировиноградной кислоты в пропионовую у пропионовокислых бактерий протекает следующим образом (рис. 58). Пировиноградная кислота карбоксилируется в реакции, катализируемой биотинзависимым ферментом, у которого 'биотин выполняет функцию переносчика CO2. Донором С02-группы служит метилмалонил-КоА. В результате реакции транскарбоксилиро-,вания образуются ЩУК и пропионил-КоА:
метилмалонил-КоА-CH3 карбоксилтрансфераза
I 4 CH3-C-COOH + COOH-CH-CO~S-KoA7 -?»
Il метилмалонил-КоА
О
пируват
^:СООН—СН2-С—СООН + CH3-CH2-CO^ S-KoA.
Il пропионил-КоА
О ЩУК
Рассмотрим теперь дальнейшую судьбу каждого из двух продуктов реакции, а также вопрос о происхождении одного из субстратов ?реакции — метилмалонил-КоА. (Основным источником пировиноградной кислоты служит процесс гликолитического расщепления гексоз ;или окислительные превращения, если в качестве субстрата брожения используют, например диоксиацетон или глицерин.)
Щавелевоуксусная кислота в результате трех ферментативных этапов (аналогичных реакциям 6,7,8 цикла трикарбоновых кислот, см. ;рис. 102) превращается в янтарную кислоту:
малатдегидрогеназа
COOH-CH2-С—COOH +НАД-Н2--
Il
ЩУК о
^COOH-Ch2-CHOH-COOH + НАД+; яблочная кислота фумараза
<ХХ)Н—CHo-СИОН—COOH ( ? COOH-CH=Ch-COOH + H2O;
яблочная кислота фумаровая кислота
фумаратредуктаза СООН—СН^СН-СООН + ФАД. н, — —*
фумаровая кислота
COOH-Ch2-CH2-COOH + ФАД+. янтарная кислота
Следующая реакция заключается в переносе КоА-группы с пропионил-КоА на сукцинат, в результате чего образуется сукцинил-КоА ж пропионовая кислота. Реакция катализируется КоА-трансферазой:
