Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Изучение механизмов ассимиляции CO2 не обнаружило у метанобразующих бактерий путей, функционирующих у подавляющего большинства прокариот. Не найдено активности рибулозодифосфаткарбоксилазы. В качестве одного из ранних меченых продуктов, образующихся при ассимиляции 14CO2, идентифицирован ацетил-КоА, возникающий предположительно из 2 молекул CO2. У представителей этой группы обнаружены различные реакции карбоксилирования:
ацетил-КоА+ С02-нпируват;
пируват+С02-^ЩУК;
фосфоенолпируват+ С02->ЩУК;
сукцинил-КоА+С02-^а-кетоглутарат.
Установлены также некоторые последовательности реакций, характерные для ЦТК (см. рис. 102):
1) ЩУК->фумарат-^-сукцинат-^сукцинил-КоА->а-кетоглутарат;
2) ацетил-КоА+ЩУК~>-Цитрат-->изоцитрат>->а-кетоглутарат.
Но до сих пор ни в одном случае у метанобразующих бактерий не показано существования циклического механизма, обеспечивающего ассимиляцию CO2.
В качестве источника азота метанобразующие бактерии используют аммонийный азот или некоторые аминокислоты. Штаммов, способных к фиксации N2, не обнаружено. Источником серы могут служить сульфаты, сульфид или серосодержащие аминокислоты.
Энергетические процессы. Почти все метанобразующие бактерии могут получать энергию за счет окисления H2, сопряженного с восстановлением CO2:
4Н2 + СОг^СН4+2Н20.
Опытами с меченым водородом показано, что H2 в этом процессе служит только донором электронов, а источником протонов в молекуле метана является вода.
Помимо H2+CO2 многие метанобразующие бактерии могут для получения энергии использовать формиат:
4НСООН-^СН4+ЗС02+Н20, что сопровождается образованием метана.
Для представителей рода Meihanosarcina показана способность образовывать метан при использовании метанола:
4СНзОН->ЗСН4+С02 + Н20, а также метилированных аминов.
У Methanobacterium thermoauiotrophicum обнаружена способность окислять окись углерода, что также сопровождается синтезом метана:
4CO + 2H2O^CH4 + 3CO2.
Наконец, представители рода Methanosarcina и недавно описанные нитчатые метанобразующие бактерии, отнесенные к новому роду Me-thanothrix, могут использовать в качестве источника энергии и углерода ацетат:
CH3COOH-^CH4+CO2.
355
со,
Таким образом, акцепторами электронов (а в ряде случаев и донорами и акцепторами) у м ета но б р а зующих бактерий является ряд одно-углеродных соединений (CO2, СО, формиат, метанол, метилированные амины) и единственное двухуглеродное соединение — ацетат (табл. 43).
Механизм энергетических процессов у метанобразующих бактерий еще не расшифрован, но общие принципиальные положения установлены. Ясно, что получение энергии, по крайней мере при окислении H2, сопряженном с восстановлением CO2, связано с функционированием электронтранспортной системы, включающей дегидрогеназы, переносчики электронов и редуктазы. Перенос электронов приводит к образованию трансмембранного протонного градиента, разрядка которого с помощью мембранной АТФазы сопровождается синтезом АТФ. Доказательством получения метанобразующими бактериями энергии в результате окислительного фосфорилирования служит подавление у них образования АТФ при действии разобщителей и ингибиторов АТФазы. Мало, однако, известно об электронных переносчиках. Не изучена организация дыхательной цепи и ее Н+-переносящих участков.
В качестве дегидрогеназ идентифицированы гидрогеназа и форми-атдегидрогеназа. У всех изученных метанобразующих бактерий обнаружен необычный переносчик электронов, получивший название фактор F42O по максимуму флюоресценции в окисленной форме при 420 мкм. Хромофорная группа его представляет собой модифицированный флавин. Особенностью переносчика является низкий окислительно-восстановительный потенциал (—380 мВ). При участии фактора F42o, а также гидрогеназы или фор-миатдегидрогеназы осуществляется одновременный перенос 2 электронов от H2 или формиата на НАДФ+ или в реакции, катализируемые ре-дуктазами (рис. 109).
Долгое время считали, что у метанобразующих бактерий нет электронных переносчиков, типичных для остальных прокариот, имеющих электроитранспортные цепи. Недавно у Methanosarcina barkeri найдены ферредоксин Fe3S3-THiIa, а также цитохромы типа Ь и с. Последние обнаружены только у видов, способных использовать в качестве энергетических субстратов соединения, содержащие метальные группы (метанол, метилированные амины, ацетат).
Восстановление CO2 до CH4 требует переноса 8 электронов, что осуществляется с помощью 4 ре-дуктаз (рис. 109). Образующиеся на этом пути промежуточные продукты не находятся в свободном состоянии, а остаются связанными с переносчиками неизвестной при
t
-х-н
X-COOH
2[Hl V
4^H2O
X-CH3
J^HS-KoM
CH3-S-KoM
Рис. 109. Схема восстановления СОг до метана метанобразующими бактериями:
X — переносчик неизвестной природы; HS-KoM — кофермент М; F420 — переносчик водорода флавиновой природы
356
роды. Идентифицирован к настоящему времени только один переносчик, участвующий на последнем этапе образования метана и названный коферментом М. Как показано на рис. 109, в результате трехступенчатого восстановления CO2 образуется соединение, в котором к переносчику неизвестной природы присоединена метильная группа (X=CH3). Последняя переносится затем на кофермент М, с которого с помощью соответствующей редуктазы и осуществляется освобождение молекулы метана.
