А.И. Нетрусов, И.Б. Котова - Микробиология (1125593), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Представитель почвенных обитателей ХепогЬаЫиз не требует присутствия )ч!а' и более термофилен. Возможно, свойство светиться не связано с определенными таксономическими группами. Также в последнее время показано, что свечение (особенно у симбиотических бактерий) подчинено эффекту «кворума», т.е. зависит от пороговой плотности популяции. Матанатро$ оке гда (рост на одном многоуглсродном соединении) Рнс. 112. Группы метнлатрофных микроорганизмов Использование одноуглеродных соединений (метнлотрофня). Итак, у большинства микроорганизмов дыхание не отличается от такового в митохондриях. Однако есть среди микробов и уникальные группы.
Прежде всего это — метилотрофные микроорганизмы— физиологическая группа, способная расти на одноуглеродных соединениях (рис. 112). Одноуглеродными называют такие соединения углерода, в состав молекулы которых входит один атом углерода или их может быть несколько, но при этом молекула никогда не содержит С-С-связей.
Процесс образования метана был рассмотрен выше. Метанол в природе образуется при разложении пектина и лигнина. Формальдегид в силу его реакционной способности в свободном виде не встречается. Формиат образуется в результате брожений, но в больших количествах не накапливается. (СНт),1т10 (1Ч-оксил триметиламина) — осморегулятор у морских растений и животных, поддерживаюший в цитоплазме их клеток осмотическое равновесие,— является универсальным акцептором электронов (+730 мВ). При гибели морских животных и растений это соединение восстанавливается в триметиламин, который обусловливает запах тухлой рыбы.
В аэробной зоне эти и подобные С,-соединения используются метилотрофами. Ранее считалось, что в анаэробных условиях метан до СОт окисляется пугем «обратного метаногенеза» и сульфидогенеза: СН4 + 2НтΠ— т 4Нт + СОт (метаногены) $0а + 4Нт + Н+ а НБ + 4НтО (сульфатредукторы) БОа + СНа — > НСО, + НБ е НтО ЬОи = -25 кДж/моль метана 156 5О', кДж/моль метана -14,4 -17,8 -18,5 2СН4 + 2НзΠ— ~ СНзСООН + 4Нр КО~~ + 4Нт+ Н вЂ” > НБ + 4НтО СНЗСООН + $0~ — ~ 2НСОз + Н$ + Н' 2СНх+ 2804 -+ 2НСОз + 2НБ + 2НтΠ— 50,7 По этой схеме энергии достаточно для каждого организма.
Биохимия этого процесса неизвестна, и микроорганизмы пока не выделены в чистой культуре, но то, что процесс идет именно так, подтверждено опытами с мечеными соединениями. В лаборатории проф. Г. Виделя получены накопительные культуры, растущие при давлении 1О атм и выше за счет анаэробного окисления метана. Считается, что для протекания процесса необходима ассоциация двух микроорганизмов — метаногенного архея и сульфатредуцирующей бактерии.
Показано, что в анаэробных осадках потребление метана количественно связано с восстановлением сульфата. В такой системе метан — единственный источник углерода для обоих микроорганизмов, а сульфат — единственный акцептор электронов в системе. Метанол в анаэробной зоне используется сульфатредукторами или метаногенами, формиат (кроме метилотрофов) — энтеробактериями, образующими его в брожении смешанного типа. Окисление метана в присутствии кислорода идет в ссютветствии со схемой: СНх — ~ СНзОН вЂ” ~ НСОН вЂ” + НСООН вЂ” + СО~ Метанотрофы могут соокислять и другие органические соединения, но как источник углерода и энергии используют только метан.
В 1906 г. был описан первый микроорганизм Насйиз вегйатса (Мегйу/отолаз тегйал)са). Надо отметить, что выделить метанотрофы в чистую культуру довольно сложно, так как в большинстве своем они растут вместе со спутниками, например олиготрофными Нурйолпсго(лит. Тем не менее в 1970 г. было выделено сразу 100 новых штаммов (до этого их было всего 5) благодаря развитию техники микробиологических посевов (ламинарные боксы, микроманипуляторы, силикагелевые пластинки).
Выделение таких культур из отдельных колоний обычно ведут на твердых сре- 157 Поскольку в процессе необходимо участие по крайней мере двух организмов, такая суммарная энергия для их развития недостаточна, так как по современным представлениям минимальный квант энергии для одного организма должен составлять -20 кДж на реакцию. Поэтому в 2000 г. был предложен новый гипотетический механизм анаэробного окисления метана: Классификация н некоторые основные Признак Лмтауахгг!сзе!а- мза МеглуЫосгсг Форма клеток Коккн, Палочки, овалы, подвижны неподвижны Стадия покоя Нет РуБисКО РМФ-пуп Сериновый путь Мембран- связанная ММО Распюримая ММО без 2-ОГДГ) ((ТК Неполный ( Основной хннон МХ8, УХ8 МХ8 Азотфикса- ция 14:0 и 16:! 16:1 16:0 н !6:1 Жирные 16:1 25 — 40 20 — 40 37 — 62 Температура роста, 'С 20 — 35 Примечание.
ММΠ— метаммонооксигеназа; УХ и МХ вЂ” убиханон и 2-оксоглутаратаегилрогеназа. дах, не содержащих органических соединений, тонкими иглами под микроскопом. Метилотрофы рассматривали как потенциальный источник пищевого белка. Компания 1С! (Великобритания) разработала процесс производства белково-витаминного концентрата, используемого в качестве кормовой добавки (Рпнееп), на основе )г(е(Иу!о- 158 Палочки, большин- подвижны Незрелые цисты (как у азото- бактера) Палочки, кокки, некоторые подвижны Зрелые цисты (как у азото- бактера) Незрелые цисты (как у азото- бактера) Таблица 20 свойства групп метанотрофов П тип мембран — сем. Метйу!омпасеае Мнауйсаетзисл Метауйегииз Метлуйсузтй Метйуйайапо Метауйсеяа Кокки, неподвижны Экзос поры Липидные цисты Экзоспоры Полный Неполный (без 2-ОГДГ) УХ8 16:1 и 16:0 16:0 и 16:1 18:1 и 16:1 18: 1 18:1 0 — 21 30 — 62 15 — 35 ыенахинон соответственно; ЦТК вЂ” цикл трикарбоновых кислот; 2-ОГДГ— рл(Низ тегйу!олорлиз.
Время генерации этого микроорганизма — 1,5 ч, а конверсия углерода метанола составляет 70%. Компания КАП (Великобритания/Нидерланды) пыталась организовать получение пищевого белка на смеси метана и воздуха при давлении 7 атм. Однако работы были свернуты с началом «зеленой революции», так как соевый белок оказался дешевле. 159 Палочки, кокки, некоторые подвижны Незрелые цисты (как у азото- бактера) Вибриоиды, образуют розетки, подвижны Вибриоиды и овалы, иногда образуют розетки, неподвижны Кокки, изо- гнутые па- лочки, не- подвижны Метанотрофы окисляют, как правило, только метан (реже и хуже — метанол).
К общим свойствам метанотрофов можно отнести высокое сродство к метану (Кс„,= 0,1 — 30,0 мкМ для чистых культур и Кс„, = 0,1 — 2,2 мкМ для смешанных культур), невысокую скорость роста (р = 0,02 — 0,07 ч-'), высокую скорость окисления метана (Р „= 10 — 31 мМ СН4 г' ч ') и высокое сродство к кислороду (Ко, = 0„14 — О, И мкМ). Хорошо растут на средах с пониженным содержанием О, (0,45 — 20%). Представители четырех родов способны к азотфиксации. Некоторые виды растут при температуре 62 С.
Обычно нейтрофильны, но есть ацидо-(до рН 5) и алкалифильные (до рН !О) представители. Метанотрофы обладают хорошо развитой системой внугрицитоплазматических мембран, на типе которой и строится их первичная классификация (табл. 20). Все метанотрофы входят в классы А!рйаргогеоЬас!епа и Оапнпарго!еоЬас!епа филума В12 Рго!еоЬасгепа. Внутрицитоплазматическая мембранная система 1 типа представляет собой стопки «тарелочек», 1! тип этой системы имеет мембраны, параллельные ЦПМ и не пересекающие центр клетки. Только у одного недавно выделенного рода Мегеру!осеИа обнаружено уникальное строение этой системы в виде мембранных везикул.
Для метанотрофов характерно наличие сложных и разнообразных поверхностных структур: капсул, трубчатых и бокаловидных выростов, микрофибрилл и регулярных слоев. Ранее предполагали, что метан сначала окисляется до СО,, а затем углекислота фиксируется в цикле Кальвина. На Мейгу!оялиз ггкйояропит было показано, что на самом деле в большинстве случаев углерод фиксируется на уровне формальдегида (рис.
1! 3). Часть метана действительно окисляется до СО~ с запасанием энергии. Пути фиксации формальдегида приведены на рис. 114 — 1! 6. РМФ-цикл конкретного микроорганизма — это сочетание одного из вариантов правой части и одного из вариантов левой части, т.е. всего известно 4 типа РМФ-цикла. В сериновом пути наряду с формальдегидом фиксируется и углекислота. Первая реакция окисления метана до метанола идет при участии фермента метанмонооксигеназы (ММО). Обычно этот фермент мембрансвязанный, растворимая ММО у метанотрофов встречается реже.
У Мейу(осеПа, наоборот, присутствует только растворимая ММО и пока не обнаружена мембрансвязанная. Итак, монооксигеназы встраивают один атом кислорода в молекулу метана, а второй с затратой двух электронов и двух протонов от донора-восстановителя идет на формирование молекулы Н,О. Работа фермента требует затраты энергии, которая запасается клеткой в дальнейших реакциях окисления с помощью дегидрогеназ метанола, формальдегида и формиата.
Метанол образуется и окисляется в периплазматическом пространстве до формальдегида. Первая дегидрогеназа метанола (клас- 160 О 2 Глнцерат соо — н — сн, н — с он о он~о 1 С ООН вЂ” СН~ — С вЂ” СООН О ',!! СООН вЂ” С вЂ” СН,— ОН 2 Окенинруаат !! О НАДН СООН вЂ” СН~ — СН вЂ” СООН Мвлат СООН— 2 Серии ын, ОН н АТФ 2НН СООН 2 Глнцнн ! Н,— С вЂ” СН, — СООН~ Цнтрат СООН СООН вЂ” СН2 — С вЂ” СООН Окевлеацетат О СООН вЂ” СН вЂ” СН вЂ” СООН ФП ФПН2 НАДН Малат СООН вЂ” СН=СН вЂ” СООН СООН вЂ” СН, — СН вЂ” СООН ! ОН Рис.
115. Сериновый путь фиксации формальдегида(И1ЛЛ вЂ” изоцитрвт- лиаза) сическая, рис. 117, А), содержащая в виде простетической группы пирроло-хинолин-хинон (ПХХ), цитохром с-зависимая, поэтому в результате такого окисления генерируется максимум одна молекула АТФ. Вторая метанолдегидрогеназа (рис. 117, Б) восстанавливает НАД' и при таком процессе образуется до 3 АТФ. 162 ~нос~ !! С вЂ” ОН гФКП ! С вЂ” О-Ф Бнееинтез СО, 3 АТФ Нг — нн 3 ДОАФ 3 ДО НАДН | 1,3-диФГК -1,6-диф АТФ Фн -7-ф Рис. 116. Диоксиацетоновый цикл фиксации формальдегида Вн,он — т — — Гонон] — .го гл — ц А 1:н,онз — т — — Е~он НАДНнн' ФП УХ Цит.
Ь, г — Цит. а, ат От Б Рис. 117. Двв типа (А, Б1 метанолдегидрогеназ (НАДН вЂ” пиридин- нуклеотид; ФП вЂ” флавопротеид; УХ вЂ” убихинон) НАД'-зависимый фермент найден у представителей рода ВасИ1из, растущих на метаноле и обладающих необычным для бацилл ростовым поведением: при достижении культурой стационарной фазы споры формируются только при наличии смеси аминокислот в среде, в противном случае все клетки мгновенно лизируются. 163 .нсон» Рибулозо-5-ф Гекеулозо-6-ф НАД(Ф)Н ! Фруктозо-6-ф 6-Фоефоглюкоиат Глюкозе 6 ф НАД(Ф)Н НАД(Ф)' [ОЯ Рис. ! 18. Диссимиляционный цикл окисления формальаегила Метилеи-ТГФ нмн -=! Метем ил-ТГФ «НСОН» ТГФ Н -МП н,о Форм НСООН но~ ~':~Я со2 Рис. ! 19.
Пути окисления формвльаегида с участием различных перенос- чиков Формальдегид поступает в РМФ- или сериновый циклы для биосинтеза или окисляется для получения энергии. Окисление формальдегида может происходить в диссимиляционном цикле (рис. ! 18), а также по пути, в котором принимают участие переносчики тетрагидрофолат (ТГФ) или тетрагидрометаноптерин (Н4-МП) и метанофуран (МФ), свойственные метаногенам (рис. 119).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
