Interested Article - Ацетогенез

Ацетогенез — биохимический процесс, в результате которого из диоксида углерода и донора электронов (например, молекулярного водорода , угарного газа , муравьиной кислоты (формиата)) образуется уксусная кислота (ацетат). Данный процесс используют анаэробные организмы в последовательности биохимических реакций восстановительного ацетил-КoA пути (путь Вуда — Льюнгдаля). Группа различных видов бактерий, способных к ацетогенезу, называется ацетогенами . Некоторые ацетогены способны синтезировать ацетат автотрофно из диоксида углерода и водорода . Суммарная реакция автотрофного синтеза ацетата:

{\mathsf {2CO_{2}+4H_{2}\rightarrow CH_{3}COOH+2H_{2}O}}

ΔG°'= -95 кДж/моль

Процесс получения ацетата гетеротрофными ацетогенами из углеводов (например, глюкозы), получил название гомоацетатного брожения :

{\mathsf {C_{6}H_{12}O_{6}\rightarrow 3CH_{3}COOH}}

Открытие

В 1932 году были открыты организмы, которые способные конвертировать молекулярный водород и углекислый газ в уксусную кислоту . Первый вид ацетогенных бактерий, , был открыт в 1936 году Класом Таммо Вирингой ( нидерл. Klaas Tammo Wieringa , 1891—1980). Второй вид, , привлек большой интерес за способность конвертировать глюкозу до 3 молекул уксусной кислоты .

Биохимия

Автотрофное образование ацетата

Автотрофная фиксация углекислого газа широко распространена среди ацетогенных анаэробных бактерий, таких как , , и . Восстановительные эквиваленты для осуществления этих реакций получаются при действии гидрогеназ на H ₂ . Acetobacterium woodii имеет цитоплазматическую гидрогеназу [FeFe]-типа . Тиоэфир — ацетил-КоА , образовавшийся в последовательности реакций пути Вуда — Льюнгдаля :

{\mathsf {2CO_{2}+4H_{2}+CoASH+ATP\rightarrow CH_{3}CO{\text{-}}CoA+3H_{2}O+ADF+Pi}}

в результате двух последовательных реакций превращается в ацетат:

Ацетил-КоА + Pi → КоА + ацетилфосфат

Ацетилфосфат + АДФ → CH ₃ COOH + АТФ, ΔG°= -12,9 кДж/моль

В первой реакции, катализируемой (англ.) ( (ЕС 2.3.1.8), получается . Вторая реакция, катализируемая (англ.) ( (ЕС 2.7.2.1), приводит к образованию АТФ из АДФ. Так как образованная молекула АТФ потребляется на первых стадиях пути Вуда — Льюнгдаля, то суммарная реакция не приводит к образованию АТФ. АТФ образуется за счет натриевого мембранного потенциала у Acetobacterium woodii . Это справедливо не для всех ацетогенов. Clostridium aceticum и Moorella thermoautotrophica содержат цитохромы и, по-видимому, генерируют протонный градиент вместо градиента ионов натрия .

Рост с использованием одноуглеродных субстратов

CO ₂ является конечным акцептором электронов при росте ацетогенов. Рост на восстановленных (с низкой степенью окисления углерода) одноуглеродных субстратах строго зависит от доступности в среде экзогенного СО ₂ . Дополнительные количества CO ₂ требуются для регенерации восстановленных переносчиков электронов, и эта регенерация должна произойти до того, как полученный из субстрата CO ₂ станет доступным через декарбоксилирование пирувата.

Рост с использованием монооксида углерода

В процессе роста на СО, суммарная реакция которого может быть описана как:

4СO + 2H ₂ O -> CH ₃ COOH + 2CO ₂

требуется экзогенный СО ₂ , несмотря что процесс генерирует избыток СО ₂ .

СО-дегидрогеназный комплекс в таких ацетогенных бактериях как Acetobacterium woodii и Moorella thermoacetica может синтезировать ацетил-КоА из метилтетрагидрофолата и СО .

Рост с использованием метанола

Рост ацетогенов Moorella thermoacetica и Clostridium formicoaceticum на метаноле не идет без добавления СО ₂ .

Гомоацетатное брожение

Глюкоза на первом этапе конвертируется до двух молекул пирувата через последовательность реакций гликолиза :

глюкоза + 2 НАД ⁺ + 2 АДФ + 2 P i → 2 пируват + 2НАДH + 2 Н ⁺ + 2 АТФ + 2 Н ₂ O

На этом этапе получается 2 молекулы АТФ по механизму субстратного фосфорилирования .

Пируват затем окисляется и декарбоксилируется до ацетил-КоА, СО ₂ и 4 восстановительных эквивалентов ( ферредоксин ), (англ.) ( :

пируват + КoA + Фд _окисл

\rightleftharpoons

ацетил-КoA + CO ₂ + Фд _восст

2 молекулы ацетил-КоА, получившихся из пирувата, конвертируются до двух молекул ацетата:

ацетил-КоА + Pi → КоА + ацетилфосфат

ацетилфосфат + АДФ → CH ₃ COOH + АТФ

Этот процесс дает дополнительную АТФ по механизму субстратного фосфорилирования. Восемь восстановительных эквивалентов, полученных при гликолизе и при окислительном декарбоксилировании пирувата, используются затем в пути Вуда — Льюнгдаля для восстановления двух молекул СО ₂ до добавочной (третьей) молекулы ацетата.

Суммарная реакция:

С ₆ Н ₁₂ О ₆ → 3 CH ₃ COOH + 4АТФ

Молекула СО ₂ , которая восстанавливается по пути Вуда — Льюнгдаля преимущественно происходит из внешнего источника, а не из молекулы СО ₂ , образуемой в реакции декарбоксилирования пирувата. В связи с этим важно дополнительно добавлять CO ₂ (или карбонаты) в ростовую среду при культивировании ацетогенов в лаборатории. Этот приём оказывается неочевидным, так как на него не указывает стехиометрия метаболических реакций. Например, стехиометрическое превращение сахаров (например, глюкозы или фруктозы в ацетат (см. выше) указывает на то, что CO ₂ не требуется для ацетогенеза. Рост на сахарах может быть значительно нарушен в отсутствие дополнительных количеств СО ₂ .

Применение

Уникальный обмен веществ ацетогенов имеет биотехнологическое применение. При брожении углеводов реакции декарбоксилирования приводят к потере углерода в виде диоксида углерода . Эта потеря является проблемой, так как предъявляются повышенные требования к минимизации выбросов CO ₂ , а также нужно, чтобы производство биотоплива успешно конкурировало с ископаемым топливом по денежной стоимости. Ацетогены могут ферментировать глюкозу без образования CO ₂ и конвертировать его с образованием 3 молекул ацетата, что приводит к увеличению теоретического выхода продукта до 50 %. Ацетогены не замещают гликолиз другим метаболическим путем, но включают CO ₂ , образующийся при гликолизе, в процесс ацетогенеза .

Ссылки

Singleton, Paul. Acetogenesis // (англ.) . — 3rd. — Chichester: John Wiley, 2006. — ISBN 978-0-470-03545-0 .
Ragsdale S. W., Pierce E. Acetogenesis and the Wood—Ljungdahl pathway of CO(2) fixation (англ.) // (англ.) ( : journal. — 2008. — December ( vol. 1784 , no. 12 ). — P. 1873—1898 . — doi : . — . — PMC .
Diekert G., Wohlfarth G. Metabolism of homocetogens. (англ.) // Antonie Van Leeuwenhoek : journal. — 1994. — No. 66 . — P. 209-221 .
Drake H.L. Demonstration of hydrogenase in extracts of the homoacetate-fermenting bacterium Clostridium thermoaceticum (англ.) // J. Bacteriol. : journal. — 1982. — No. 150 . — P. 702-709 .
Pezacka E., Wood H.G. The synthesis of acetyl-CoA by Clostridium thermoaceticum from carbon dioxide, hydrogen, coenzyme A and methylte-trahydrofolate (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1984. — No. 137 . — P. 63-69 .
Diekert G., Wohlfarth G. Hydrogenase from Acetobacterium woodii (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1994. — No. 139 . — P. 361-365 .
Ragsdale S. W. Metals and their scaffolds to promote difficult enzymatic reactions (англ.) // (англ.) ( : journal. — 2006. — August ( vol. 106 , no. 8 ). — P. 3317—3337 . — doi : . — .
Brown T. D., Jones-Mortimer M. C., Kornberg H. L. The enzymic interconversion of acetate and acetyl-coenzyme A in Escherichia coli (англ.) // (англ.) ( : journal. — (англ.) ( , 1977. — Vol. 102 , no. 2 . — P. 327—336 . — .
Heise R., Muller V., Gottschalk G. (англ.) // J. Bacteriol. : journal. — 1989. — Vol. 171 . — P. 5473-78 .
Hugenholtz J., Ljungdahl L.G. Metabolism and energy generation in homoacetogenic clostridia (англ.) // FEMS Microbiol. Rev. : journal. — 1990. — No. 87 . — P. 383-390 .
Savage M.D., Wu Z., Daniel S.L., Lundie L.L. Jr., Drake H.L. Carbon monoxide-dependent chemolithotrophic growth of Clostridium thermoautotrophicum . (англ.) // Appl. Environ. Microbiol. : journal. — 1987. — No. 53 . — P. 1902-1906 .
Wood H. G., Ragsdale S. W., Pezacka E. The acetyl-CoA pathway or autotrophic growth (англ.) // FEMS Microbiol. Rev. : journal. — 1986. — No. 39 . — P. 345—362 .
Ljungdahl L. G. The autotrophic pathway of acetate synthesis in acetogenic bacteria (англ.) // Ann. Rev. Microbiol. : journal. — 1986. — No. 40 . — P. 415—450 .
Shanmugasundaram T., Ragsdale S.W., Wood H.G. Role of carbon monoxide dehydrogenase in acetate synthesis by the acetogenic bacterium Acetobacterium woodii (англ.) // Biofactors : journal. — 1988. — No. 1 . — P. 147-152 .
Menon S., Ragsdale S.W. The role of an iron-sulfur cluster in an enzymatic methylation reaction. Methylation of CO dehydrogenase/acetyl-CoA synthase by the methylated corrinoid iron-sulfur protein (англ.) // J. Biol. Chem. : journal. — 1999. — No. 274 . — P. 11513-11518 .
Hsu T., Daniel S.L., Lux M.F., Drake H.L. Biotransformations of carboxylated aromatic compounds by the acetogen Clostridium thermoaceticum: generation of growth-supportive CO2 equivalents under CO2-limited conditions. (англ.) // J. Bacteriol. : journal. — 1990. — No. 172 . — P. 212-217 .
Matthies C., Freiberger A., Drake H.L. Fumarate dissimilation and differential reductant ﬂow by Clostridium formicoaceticum and Clostridium aceticum . (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1993. — No. 160 . — P. 273-278 .
Andreesen J.R., Gottschalk G., Schlegel H.G. Clostridium formicoaceticum nov. spec. isolation, description and distinction from C. aceticum and C. thermoaceticum. (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1970. — No. 72 . — P. 154-174 .
Braun K., Gottschalk G. Effect of molecular hydrogen and carbon dioxide on chemo-organotrophic growth of Acetobacterium woodii and Clostridium aceticum . (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1981. — No. 128 . — P. 294-298 .
O’Brien W.E., Ljungdahl L.G. Fermentation of fructose and synthesis of acetate from carbon dioxide by Clostridium formicoaceticum . (англ.) // J. Bacteriol. : journal. — 1972. — No. 109 . — P. 626-632 .
Schuchmann K., Müller V. Energetics and Application of Heterotrophy in Acetogenic Bacteria (англ.) // (англ.) ( : journal. — 2016. — July ( vol. 82 , no. 14 ). — P. 4056—4069 . — doi : . — . — PMC .

[1] Singleton, Paul. Acetogenesis // (англ.) . — 3rd. — Chichester: John Wiley, 2006. — ISBN 978-0-470-03545-0 .

[2] Ragsdale S. W., Pierce E. Acetogenesis and the Wood—Ljungdahl pathway of CO(2) fixation (англ.) // (англ.) ( : journal. — 2008. — December ( vol. 1784 , no. 12 ). — P. 1873—1898 . — doi : . — . — PMC .

[3] Diekert G., Wohlfarth G. Metabolism of homocetogens. (англ.) // Antonie Van Leeuwenhoek : journal. — 1994. — No. 66 . — P. 209-221 .

[4] Drake H.L. Demonstration of hydrogenase in extracts of the homoacetate-fermenting bacterium Clostridium thermoaceticum (англ.) // J. Bacteriol. : journal. — 1982. — No. 150 . — P. 702-709 .

[5] Pezacka E., Wood H.G. The synthesis of acetyl-CoA by Clostridium thermoaceticum from carbon dioxide, hydrogen, coenzyme A and methylte-trahydrofolate (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1984. — No. 137 . — P. 63-69 .

[6] Diekert G., Wohlfarth G. Hydrogenase from Acetobacterium woodii (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1994. — No. 139 . — P. 361-365 .

[pmid16895330-7] Ragsdale S. W. Metals and their scaffolds to promote difficult enzymatic reactions (англ.) // (англ.) ( : journal. — 2006. — August ( vol. 106 , no. 8 ). — P. 3317—3337 . — doi : . — .

[8] Brown T. D., Jones-Mortimer M. C., Kornberg H. L. The enzymic interconversion of acetate and acetyl-coenzyme A in Escherichia coli (англ.) // (англ.) ( : journal. — (англ.) ( , 1977. — Vol. 102 , no. 2 . — P. 327—336 . — .

[9] Heise R., Muller V., Gottschalk G. (англ.) // J. Bacteriol. : journal. — 1989. — Vol. 171 . — P. 5473-78 .

[10] Hugenholtz J., Ljungdahl L.G. Metabolism and energy generation in homoacetogenic clostridia (англ.) // FEMS Microbiol. Rev. : journal. — 1990. — No. 87 . — P. 383-390 .

[11] Savage M.D., Wu Z., Daniel S.L., Lundie L.L. Jr., Drake H.L. Carbon monoxide-dependent chemolithotrophic growth of Clostridium thermoautotrophicum . (англ.) // Appl. Environ. Microbiol. : journal. — 1987. — No. 53 . — P. 1902-1906 .

[12] Wood H. G., Ragsdale S. W., Pezacka E. The acetyl-CoA pathway or autotrophic growth (англ.) // FEMS Microbiol. Rev. : journal. — 1986. — No. 39 . — P. 345—362 .

[13] Ljungdahl L. G. The autotrophic pathway of acetate synthesis in acetogenic bacteria (англ.) // Ann. Rev. Microbiol. : journal. — 1986. — No. 40 . — P. 415—450 .

[14] Shanmugasundaram T., Ragsdale S.W., Wood H.G. Role of carbon monoxide dehydrogenase in acetate synthesis by the acetogenic bacterium Acetobacterium woodii (англ.) // Biofactors : journal. — 1988. — No. 1 . — P. 147-152 .

[15] Menon S., Ragsdale S.W. The role of an iron-sulfur cluster in an enzymatic methylation reaction. Methylation of CO dehydrogenase/acetyl-CoA synthase by the methylated corrinoid iron-sulfur protein (англ.) // J. Biol. Chem. : journal. — 1999. — No. 274 . — P. 11513-11518 .

[16] Hsu T., Daniel S.L., Lux M.F., Drake H.L. Biotransformations of carboxylated aromatic compounds by the acetogen Clostridium thermoaceticum: generation of growth-supportive CO2 equivalents under CO2-limited conditions. (англ.) // J. Bacteriol. : journal. — 1990. — No. 172 . — P. 212-217 .

[17] Matthies C., Freiberger A., Drake H.L. Fumarate dissimilation and differential reductant ﬂow by Clostridium formicoaceticum and Clostridium aceticum . (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1993. — No. 160 . — P. 273-278 .

[18] Andreesen J.R., Gottschalk G., Schlegel H.G. Clostridium formicoaceticum nov. spec. isolation, description and distinction from C. aceticum and C. thermoaceticum. (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1970. — No. 72 . — P. 154-174 .

[19] Braun K., Gottschalk G. Effect of molecular hydrogen and carbon dioxide on chemo-organotrophic growth of Acetobacterium woodii and Clostridium aceticum . (англ.) // Arch. Microbiol. : journal. — 1981. — No. 128 . — P. 294-298 .

[20] O’Brien W.E., Ljungdahl L.G. Fermentation of fructose and synthesis of acetate from carbon dioxide by Clostridium formicoaceticum . (англ.) // J. Bacteriol. : journal. — 1972. — No. 109 . — P. 626-632 .

[21] Schuchmann K., Müller V. Energetics and Application of Heterotrophy in Acetogenic Bacteria (англ.) // (англ.) ( : journal. — 2016. — July ( vol. 82 , no. 14 ). — P. 4056—4069 . — doi : . — . — PMC .