А.И. Нетрусов, И.Б. Котова - Микробиология (1125593), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Окисление метиламинов идет с участием ряда ферментов до формальдегида и )ч)Нз (рис. 120). Формиат обычно окисляется НАД'- зависимыми дегидрогеназами. НзО 2 Н' Оз, НАДН Нзо, НАД' Оз Н,О АТФ АДФ т-глутамил-метнламин Рис. ! 20. Пути окисления метиламинов (ТМА — триметиламин; ДМА— диметиламин; МА — метиламин): ! — ТМА-дегнлрогеназа; 2 — ТМА-моноокснгеназа; 3 — деметнлаза 1Ч-окснла ТМА; 4 — ДМА-монооксигеназа; 5 — МА-дегндрогеназа; б — МА-оксиааза; 7— Х-метнлглутаматеннтаза;  — т-глутамнл-МА-еннтаза; 9 — ГЧ-метнлглутаматде- гидрогеназа цнт. г нли НАД -зависимая Метилотрофные дрожжи были открыты японскими исследователями в 1969 г. В природе они обитают в садовых почвах и существуют за счет метанола, образующегося при гидролизе пектина.
Из представителей 39 проверенных родов дрожжей только 5 содержали виды, способные к метилотрофии. Это !8 видов рода Санг!1г!а (наиболее изученный — С. тегЬуйса), 9 видов рода Напаепи!а (Н. ро(утогрЬа, Н. сарзи1ауа, Н. ттиуа и др.), 6 видов рода Ргсй(а (Р. р(пиз, Р. ратгаг(В и др.), а также БассЬаготусез ар. и йЬог(о!ага!а вр. БрагоЬа!отусез гозеиз и Ю. 8гасг!1В могут расти на средах с метил- аминами, используя их только как источник азота. Из мицелиальных грибов мети- Перокснсомы лотрофами являются О!!ос!аг(1ит г!е!(г!иезсепз, Раес1!отусез уаг(ог(, Уг(сЬог(егта 118погит, Реп(с1И(ит ар., способные к росту на средах с метанолом.
При росте на среде с метанолом у дрожжей все пространство клетки заполнено Рис. 121. Дрожжевая клетка с пероксисомами ядро !65 Пеооксисома кс ута НСООН ...Л СО, Биосинтез Рис. 122. Использование метанола метилотрофными дрожжами пероксисомами, а все органеллы сдвинуты к одному из полюсов (рис. 121). Пероксисомы при рассмотрении в электронном микроскопе имеют на поверхности исчерченность в виде сеточки и содержат в закристаллизованном состоянии два фермента — алкоголь(метанол)оксидазу и каталазу. Алкогольоксидаза (АО) переносит электроны сразу на кислород с образованием перекиси, которая расщепляется каталазой (Кат), рис.
122. На первом этапе дрожжи не получают энергии, так как оксидазы не восстанавливают переносчики электронов. Поэтому дрожжи проигрывают в эффективности роста метилотрофным бактериям. Формальдегид активно переносится из пероксисомы в цитозоль, где связывается с восстановленным глутатионом. Считается, что трехслойная мембрана пероксисомы защищает клетку от повреждающего действия перекиси. В пероксисоме также происходит и первая реакция ассимиляции формальдегида с ксилулозо-5-фосфатом. При работе с вьиеленной из клеток дрожжей каталазой было замечено, что она имеет пероксидазную функцию, окисляя метанол за счет перекиси водорода: АО + каталаза АО + «пероксидаза» 2СН,ОН + 20г -«2НСОН + 2НгОг СН,ОН + Ог — з НСОН + НгОг 2НгОг -з 2НгО+ Ог СНзОН + НгОг -«НСОН+ 2НгО 2СНзОН + Ог -з 2НСОН + 2НгО 2СНзОН+Ог-'2НСОН+2НгО Таким образом, предполагали, что одна молекула метанола может окисляться каталазой.
Однако впоследствии было показано, что в клетке этого не происходит. 166 сн,он,! С-0 ,'«! ! сн,он ! с-о НОСН носи ! 'сн,он ! СН20 — Р ДОА сно ! носи + СН20 — Р ФГА Рис. 123. Первая реакция в ДОА-цикле (ДОА — диоксиацетои) 167 АО имеет широкую субстратную специфичность к спиртам, что дает возможность использовать ее при определении алкоголя в крови. АО может составлять в клетке до 20% всех белков, что указывает на мощность ее промотора. Учитывая, что Р. р1лиз при выращивании в проточном ферментере на метаноле способна давать плотность до! 25 г/л, клонирование под промотор этого фермента гена инсулина или интерферона человека приводит к сверх- синтезу нужного продукта. Ассимиляция формальдегида у дрожжей происходит в ДОА- цикле.
Ранее считали, что у них работает модифицированный РМФ- цикл с затратой АТФ. Однако не был обнаружен ключевой фермент этого цикла — гексулозомонофосфатдегндрогеназа. Оказывается, у дрожжей не происходит переноса одноуглеродного фрагмента на С,-соединение. С использованием меченых веществ была получена схема реакции, приведенная на рис. 123 (подробная схема ДОА-цикла представлена на рис. 116). Метилотрофные дрожжи могут быть источником кормового белка, однако, поскольку дрожжевая клеточная стенка не у всех животных в пищеварительном тракте расщепляется (например, у свиней), дрожжи приходится автолизировать перед сушкой.
Если же говорить обо всех метилотрофах (и эу-, и прокариотических), то понятна их важная роль в глобальном цикле углерода. Метилотрофы в хозяйственной деятельности человека могут быть источником не только пищевого (кормового) белка, но и биотина, Вц, аминокислот тирозина и глутамата, природного пластика — поли-!)-гидроксимасляной кислоты, полисахаридов, кофермента Он и т.д. Нельзя забывать о перспективности метилотрофов как объектов биоинженерии. Использование неорпншчесинх соединений (хемолитоавточрофня).
Процесс хемолитоавтотрофии открыт в 1887 г. С.Н. Виноградским, работавшим в ту пору в Страсбурге в лаборатории А.де Бари. Такой образ жизни присущ только прокариотам: для получения энергии используется восстановленное неорганическое вещество, а для построения клеточного материала — СОь С. Н. Виноградский открыл этот новый «гподцз чЬепй», работая с микроорганизмами, окисляющими восстановленные соединения серы. Такой микроб, как Ве88!агоа — серная бактерия из водных местообитаний, окисляя Н28, откладывает элементарную серу внутри клетки.
Когда сероводород кончается, микроорганизм может окислять отложенную серу до сульфата. Окисление восстановленных соединений серы связано с получением энергии, микроорганизмы требуют небольших количеств органических соединений и способны фиксировать СОь т.е. являются факультативными автотрофами. Были выделены также облигатно автотрофные виды Ве88!агоа из морских местообитаний. Биологическая природа процесса превращения аммиака в нитрат была известна давно и использовалась в Европе для получения селитры при изготовлении пороха: земляные валы поливали кровью животных со скотобоен, аэрировали, нейтрализовали золой (источник калия) и образовавшийся вьщвет нитратов растворяли и выпаривали.
С. Н. Виноградский же выделил чистые культуры нитрификаторов методом «отрицательных пластинок»: сильно разведенные суспензии высевались на агар или силикагель, и те кусочки агара, где не было роста гетеротрофов, переносились на среду с )ЧН«. Однако сначала С. Н. Виноградский считал, что процесс идет в одну стадию ()Ч Н« -» 1ЧОз ). Его статья об этом появилась в 1890 г.
В том же году Дж. и Г. Франкланды опубликовали статью о выделении микроорганизма, который осуществляет реакцию 1ЧН« — » )ЧО,. Ясно, что вначале С. Н. Виноградский имел смешанную культуру нитрификаторов двух фаз, а супруги Франк- ланд выделили нитрификатор первой фазы. В 1949 г. Виноградский исправил прежнюю статью, признав, что нитрификация идет в две стадии. Заслугой С.Н. Виноградского также является открытие железоокисляющих микроорганизмов.
Процесс нитрификации происходит в две стадии: 1Ч Н« -» (ЧО~ -» -«)ЧОз, причем в природе нитрит не накапливается больше чем в !0 4 М, так как скорость П фазы значительно выше. Раньше считали, что нитрификация — сугубо аэробный процесс. Оказалось, что этот процесс может происходить и в анаэробных условиях. Было замечено, что в анаэробных реакторах, осуществляющих очистку стоков от соединений азота, аммоний окисляется, но лишь в присутствии нитрита: ' )ЧН«+'4)ЧО, -» '4 'ЧЧ,Т + Н,О. Наличие такой реакции доказано с помощью меченых соединений и связано с работой специальной группы автотрофных бактерий, фило- генетически близких к планктомицетам, проводящей процесс АнАммОкс (апаттох — апаего(йс апппоп!а охЫаг)оп).
Для фиксации СО, нитрификаторы используют цикл Кальвина, в котором затрачивается большое количество АТФ и восстановительных эквивалентов. Клетки имеют карбоксисомы с ферментами этого цикла (РуБисКО). Однако окисление аммиака приводит 168 нлдн Рис. 124. Схема ЭТ(! (с обратным перено- сом электронов) у нитрификаторов 1 фазы к тому, что электроны поступают в ЭТ!( на более низком уровне, чем тот, который требуется лля образования НАДН. Поэтому у нитрификаторов обнаружен механизм обратного переноса электронов с затратой энергии в виде АТФ для синтеза восстановительных эквивалентов (рис. 124). Микроорганизмы ! и И стадий нитрификации — это грамотрицательные организмы, объединенные по способности к нитрификации, а не филогенетически.
Они встречаются в классах Вега-, Оапппа- и Ерз(1опргогеоЬас!епа филума В12 Рго1еоЬасгепа, а также в классе Ь1йгозр(га филума ВЗ Хйгозр(гае. Некоторые могут также использовать в небольших количествах пируват и ацетат. В табл. 21 представлена краткая характеристика родов нитрификаторов 1 стадии (ХНв -в ХО~). Клетки имеют сеть развитых впячиваний цитоплазматической мембраны (у Мггоютолаз они параллельны мембране клетки, у Мггоюсоссиз — в виде стопок ламелл, у Л1йлхго!оЬиз — в виде инвагинаций). Истинным субстратом нитрификаторов! фазы является именно аммиак, а не ион аммония.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
