Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Совершенно особый тип брожения осуществляет С. kluyveri, сбраживающий смесь этанола и уксусной кислоты до масляной, капроновой кислот и H2. Превращение этанола и уксусной кислоты в масляную и капроновую кислоты можно описать следующими уравнениями:
CH3-CH2OH + CH8-COOH-* СН8—(СНя)а—COOH + H2O; этанол ацетат масляная кислота
2CH3-CH2OH + CH3-COOH-> CH3-(СН2)4—COOH + H2O.
капроновая кислота
Однако ни одна из этих реакций не приводит к синтезу АТФ. Энергетическая сторона процесса долгое время оставалась неясной. Оказалось, что получение энергии связано с образованием молекулярного водорода в процессе окисления этанола, дегидрирование которого на двух этапах приводит к синтезу ацетил-КоА:
1) CH3-CH2OH + НАД+-> CH3-CHO + НАД*H2;
ацетальдегид
2) CH3-CHO + KoA + Фдок-^ CH3-CO — S=KoA + ФДвосст-
ацетил-КоА
Электроны с ферредоксина могут переноситься далее на НАД+ или на H+, что приводит в последнем случае к выделению H2. Следствием переноса части электронов на H+ будет нарушение соотношения между количеством ацетил-КоА и НАД • H2, необходимыми для синтеза масляной кислоты (см. рис. 62), в сторону относительного недостатка молекул восстановленного кофермента. Возникшие «избыточные» молекулы ацетил-КоА используются для синтеза АТФ в реакциях, описанных ранее. По проведенным подсчетам, энергетический выход этого вида брожения составляет около 1 моля АТФ на 6 молей этанола.
Таким образом, типы брожений, осуществляемых клостридиями, необычайно разнообразны как в отношении используемых субстратов, так и образуемых конечных продуктов, и виды, осуществляющие сбраживание углеводов по гликолитическому пути с образованием масляной кислоты в качестве одного из основных продуктов, являются только одной из групп организмов, относимых в настоящее время к роду Clostridium.
212
Особенности конструктивного метаболизма
Потребности клостридиев в питательных веществах отличаются большим разнообразием. Как правило, клостридии могут расти только на сложных, богатых органическими соединениями средах. Многие клостридии выделяют экзоферменты, расщепляющие макромолекулы (углеводы, белки) на составляющие их мономеры. До сих пор только небольшое число видов удалось культивировать в лаборатории на синтетической среде. Для них выявлена потребность в витаминах (главным образом группы В) и наборе аминокислот.
Интересная особенность прокариот из рода Clostridium — дальнейшее развитие способности вовлекать углекислоту в клеточный метаболизм. У С. kluyveri, растущего на смеси С2-соединений (этанол+ацетат), до 30% углерода клетки возникает из углерода CO2. Для С. aceticum показана способность к автотрофному росту на минеральной среде за счет превращения H2 и CO2 в ацетат:
4H2 + 2CO2-^CH3-COOH + 2H2O.
Пути включения CO2 в клеточный метаболизм клостридиев различны. Углекислота может использоваться ими в качестве конечного акцептора электронов, что приводит к прямому восстановлению CO2 до формиата. Донорами электронов в этой реакции служат восстановленный ферредоксин или НАД-H2. Реакция может служить способом удаления избытка восстановительных эквивалентов, образующихся при брожении, т. е. быть необходимой для сбалансирования окислительных и восстановительных этапов в энергетическом метаболизме. Образовавшийся в результате восстановления CO2 формиат может подвергаться дальнейшему восстановлению и служить источником метальных групп, используемых для клеточных биосинтезов.
Для разных видов клостридиев показана активная фиксация CO2 на C2- и Сз-соединениях, таких как ацетил-КоА, пропионил-КоА, пируват, в реакциях восстановительного карбоксилирования, например:
ацетил-КоА+CO2 + ФдВОсст->-пируват + KoA-SH + Фдок.
Дальнейший шаг вперед по пути независимости от среды связан с распространением у этой группы прокариот способности фиксировать атмосферный азот (небольшая способность к фиксации N2 обнаружена у пропионовых бактерий). Первый анаэробный азотфиксатор был выделен из почвы С. Н. Виноградским и назван им в честь Л. Пастера Clostridium pasleurianum.
Молекула N2 чрезвычайно прочна. Чтобы разорвать три связи, соединяющие между собой два атома в молекуле N2, необходимо затратить 941 кДж/моль, поэтому восстановление N2 до NH3 химическим путем — очень энергоемкий процесс. Фиксация молекулярного азота, до сих пор обнаруженная только у прокариот, осуществляется с помощью ферментной системы — нитрогеназы, состоящей из двух компонентов: малого (Fe-белок) и большого (MoFe-белок). Соотношение между ними у разных азотфиксирующих прокариот колеблется от 1:1 до 2:1, хотя в целом нитрогеназы из разных источников обнаруживают значительное сходство. Fe-белок (молекулярная масса около 60 ООО Д) состоит из двух идентичных субъединиц, содержащих один Fe4S^eHTp на димер.
MoFe-белок организован значительно более сложно: молекулярная масса от 200 ООО до 220 ООО; построен из четырех субъединиц двух типов, т. е. может быть представлен как <x2?2. Количественный состав
213
простетической группы MoFe-белка точно не установлен. По разным определениям, MoFe-белок С. pasteurlanum содержит 2 атома молибдена, 20—24 атомов железа и столько же кислотолабильной серы.. Часть железа и серы организованы в центры Fe4S4-THna. Кроме того,, молибден, железо и сера входят в состав низкомолекулярного кофактора (MoFe-кофактор), локализующегося в активном центре нитрогеназы.
