Acetogeneze

Acetogeneze  je biochemický proces, jehož výsledkem je tvorba kyseliny octové (acetátu) z oxidu uhličitého a donoru elektronů (například molekulárního vodíku , oxidu uhelnatého , kyseliny mravenčí (formiátu) ). Tento proces využívají anaerobní organismy v sekvenci biochemických reakcí reduktivní acetyl-CoA dráhy (Wood-Ljungdahlova dráha). Skupina různých typů bakterií, které jsou schopné acetogeneze, se nazývá acetogeny . Některé acetogeny jsou schopny autotrofně syntetizovat acetát z oxidu uhličitého a vodíku [1] . Celková reakce syntézy autotrofního acetátu:

AG°'= -95 kJ/mol

Proces získávání acetátu heterotrofními acetogeny ze sacharidů (například glukózy) se nazývá homoacetátová fermentace :

Objev

V roce 1932 byly objeveny organismy, které jsou schopny přeměnit molekulární vodík a oxid uhličitý na kyselinu octovou . První druh acetogenních bakterií, Clostridium aceticum , objevil v roce 1936 Klas Tammo Wieringa ( Holandský.  Klaas Tammo Wieringa , 1891-1980). Druhý druh, Moorella thermoacetica , vzbudil velký zájem pro svou schopnost přeměnit glukózu na 3 molekuly kyseliny octové [2] .

Biochemie

Autotrofní produkce acetátu

Autotrofní fixace oxidu uhličitého je rozšířená mezi acetogenními anaerobními bakteriemi, jako jsou Acetobacterium woodii , Clostridium aceticum , Moorella thermothermoacetica a Moorella thermoautotrophica [3] . Redukční ekvivalenty pro tyto reakce se získávají působením hydrogenáz na H 2 [4] [5] . Acetobacterium woodii má cytoplazmatickou hydrogenázu typu [FeFe] [6] . Thioester  je acetyl-CoA , který vzniká v sekvenci reakcí Wood-Ljungdahlovy dráhy [7] :

v důsledku dvou po sobě jdoucích reakcí se mění na acetát:

Acetyl-CoA + Pi → CoA + acetylfosfát Acetylfosfát + ADP → CH 3 COOH + ATP, ΔG ° = -12,9 kJ / mol

V první reakci, katalyzované fosfát acetyltransferázou(EC 2.3.1.8) se získá acetylfosfát [8] . Druhá reakce katalyzovaná acetátkinázou(EC 2.7.2.1), vede k tvorbě ATP z ADP. Vzhledem k tomu, že vytvořená molekula ATP je spotřebována v prvních fázích Wood-Ljungdalovy dráhy, celková reakce nevede ke vzniku ATP. ATP se tvoří díky potenciálu sodíkové membrány [9] v Acetobacterium woodii . To neplatí pro všechny acetogeny. Clostridium aceticum a Moorella thermoautotrophica obsahují cytochromy a zdá se, že vytvářejí protonový gradient místo gradientu sodíkových iontů [10] .

Růst pomocí jednouhlíkových substrátů

CO 2 je konečným akceptorem elektronů během růstu acetogenů. Růst na redukovaných (s nízkým stupněm oxidace uhlíku) jednouhlíkových substrátech striktně závisí na dostupnosti exogenního CO 2 v prostředí . K regeneraci redukovaných elektronových nosičů jsou zapotřebí další množství C02 a tato regenerace musí nastat předtím, než se CO2 odvozený od substrátu stane dostupným prostřednictvím dekarboxylace pyruvátu.

Růst s oxidem uhelnatým

Během růstu na CO, jehož celkovou reakci lze popsat jako:

4CO + 2H20 - > CH3COOH + 2CO2

exogenní CO 2 je vyžadován navzdory skutečnosti, že proces vytváří přebytek CO 2 [11] .

CO-dehydrogenázový komplex v takových acetogenních bakteriích, jako je Acetobacterium woodii a Moorella thermoacetica, může syntetizovat acetyl-CoA z methyltetrahydrofolátu a CO [12] [13] [14] [15] .

Růst s metanolem

Růst acetogenů Moorella thermoacetica a Clostridium formicoaceticum na methanolu neprobíhá bez přídavku CO 2 [16] [17] .

Homoacetátová fermentace

Glukóza je v prvním kroku přeměněna na dvě molekuly pyruvátu prostřednictvím sekvence glykolýzních reakcí :

glukóza + 2 NAD + + 2 ADP + 2 P i → 2 pyruvát + 2NADH + 2 H + + 2 ATP + 2 H 2 O

V této fázi jsou mechanismem fosforylace substrátu získány 2 molekuly ATP .

Pyruvát je poté oxidován a dekarboxylován na acetyl-CoA, CO2 a 4 redukční ekvivalenty ( feredoxin ), pyruvát:ferredoxinoxidoreduktáza:

pyruvát + KoA + Fd acetyl -CoA oxid + CO 2 + Fd reduk

2 molekuly acetyl-CoA, získané z pyruvátu, jsou převedeny na dvě molekuly acetátu:

acetyl-CoA + Pi → CoA + acetylfosfát
acetylfosfát + ADP → CH 3 COOH + ATP

Tento proces produkuje další ATP mechanismem fosforylace substrátu. Osm redukčních ekvivalentů získaných glykolýzou a oxidativní dekarboxylací pyruvátu je pak použito v Wood-Ljungdalově cestě k redukci dvou molekul CO 2 na další (třetí) molekulu acetátu.

Celková reakce:

C6H12O6 - > 3 CH3COOH + 4ATP _ _

Molekula CO 2 , která je redukována Wood-Ljungdalovou cestou, pochází převážně z vnějšího zdroje, a nikoli z molekuly CO 2 vytvořené v reakci dekarboxylace pyruvátu. V tomto ohledu je důležité dodatečně přidávat CO 2 (nebo uhličitany) do růstového média při kultivaci acetogenů v laboratoři. Tato technika se ukazuje jako nesrozumitelná, protože není indikována stechiometrií metabolických reakcí. Například stechiometrická přeměna cukrů (např. glukózy nebo fruktózy na acetát (viz výše) ukazuje, že pro acetogenezi není zapotřebí CO 2. Růst na cukrech může být významně narušen v nepřítomnosti dalšího CO 2 [18] [19] [ 20] .

Aplikace

Unikátní metabolismus acetogenů má biotechnologické aplikace. Při fermentaci sacharidů vedou dekarboxylační reakce ke ztrátě uhlíku ve formě oxidu uhličitého . Tato ztráta je znepokojivá, protože existuje zvýšená poptávka po minimalizaci emisí CO 2 a potřeba výroby biopaliv, aby úspěšně konkurovala fosilním palivům na peněžním základě. Acetogeny mohou fermentovat glukózu bez tvorby CO 2 a převádět ji za vzniku 3 molekul acetátu, což vede ke zvýšení teoretického výtěžku produktu až o 50 %. Acetogeny nenahrazují glykolýzu jinou metabolickou cestou, ale zahrnují CO 2 vznikající při glykolýze v procesu acetogeneze [21] .

Odkazy

  1. ↑ Singleton, Paul. Acetogenesis // Slovník mikrobiologie a molekulární biologie  (anglicky) . — 3. - Chichester: John Wiley, 2006. - ISBN 978-0-470-03545-0 .
  2. ↑ Ragsdale SW, Pierce E. Acetogenesis and the Wood—Ljungdahl pathway of CO(2) fixation  //  Biochimica et Biophysica Acta : deník. - 2008. - prosinec ( roč. 1784 , č. 12 ). - S. 1873-1898 . - doi : 10.1016/j.bbapap.2008.08.012 . — PMID 18801467 .
  3. ↑ Diekert G., Wohlfarth G. Metabolismus homocetogenů. (anglicky)  // Antonie Van Leeuwenhoek: journal. - 1994. - Ne. 66 . — S. 209-221 .
  4. ↑ Drake HL Demonstrace hydrogenázy v extraktech z bakterie Clostridium thermoaceticum fermentující homoacetát  //  J. Bacteriol. : deník. - 1982. - Ne. 150 . — S. 702-709 .
  5. ↑ Pezacka E., Wood HG Syntéza acetyl-CoA pomocí Clostridium thermoaceticum z oxidu uhličitého, vodíku, koenzymu A a metyltetrahydrofolátu  (anglicky)  // Arch. microbiol. : deník. - 1984. - Ne. 137 . — S. 63-69 .
  6. ↑ Diekert G., Wohlfarth G. Hydrogenase from Acetobacterium woodii (Angl.)  // Arch. microbiol. : deník. - 1994. - Ne. 139 . - str. 361-365 .  
  7. ↑ Ragsdale SW Metals a jejich lešení k podpoře obtížných enzymatických reakcí  //  Chemical Reviews : deník. - 2006. - srpen ( roč. 106 , č. 8 ). - str. 3317-3337 . - doi : 10.1021/cr0503153 . — PMID 16895330 .
  8. ↑ Brown TD, Jones-Mortimer MC, Kornberg HL Enzymatická interkonverze acetátu a acetyl-koenzymu A v Escherichia coli  //  Mikrobiologie : deník. — Mikrobiologická společnost, 1977. - Sv. 102 , č. 2 . - str. 327-336 . — PMID 21941 .
  9. ↑ Heise R., Muller V., Gottschalk G. Závislost tvorby acetátu na sodíku acetogenní bakterií Acetobacterium woodii //  J. Bacteriol. : deník. - 1989. - Sv. 171 . — S. 5473-78 .  
  10. ↑ Hugenholtz J., Ljungdahl LG Metabolismus a tvorba energie u homoacetogenních klostridií   // FEMS Microbiol . Rev. : deník. - 1990. - Ne. 87 . - S. 383-390 .
  11. ↑ Savage MD, Wu Z., Daniel SL, Lundie LL Jr., Drake HL Chemolithotrofní růst Clostridium thermoautotrophicum závislý na oxidu uhelnatém . (anglicky)  // Appl. Environ. microbiol. : deník. - 1987. - Ne. 53 . - S. 1902-1906 .
  12. ↑ Wood HG, Ragsdale SW, Pezacka E. The acetyl-CoA pathway or autotrophic growth  //  FEMS Microbiol. Rev. : deník. - 1986. - Ne. 39 . - str. 345-362 .
  13. ↑ Ljungdahl LG Autotrofní cesta syntézy acetátu u acetogenních bakterií   // Ann . Rev. microbiol. : deník. - 1986. - Ne. 40 . - S. 415-450 .
  14. ↑ Shanmugasundaram T., Ragsdale SW, Wood HG Role dehydrogenázy oxidu uhelnatého v syntéze acetátu acetogenní bakterií Acetobacterium woodii  //  Biofactors : journal. - 1988. - Ne. 1 . — S. 147-152 .
  15. ↑ Menon S., Ragsdale SW Role shluku železo-síra v enzymatické methylační reakci. Methylace CO dehydrogenázy/acetyl-CoA syntázy methylovaným korrinoidním železo-sírovým proteinem  //  J. Biol. Chem. : deník. - 1999. - Ne. 274 . — S. 11513-11518 .
  16. ↑ Hsu T., Daniel SL, Lux MF, Drake HL Biotransformace karboxylovaných aromatických sloučenin acetogenem Clostridium thermoaceticum: tvorba ekvivalentů CO2 podporujících růst za podmínek s omezením CO2. (anglicky)  // J. Bacteriol. : deník. - 1990. - Ne. 172 . — S. 212-217 .
  17. ↑ Matthies C., Freiberger A., ​​​​Drake H.L. Disimilace fumarátu a diferenciální tok redukčního činidla Clostridium formicoaceticum a Clostridium aceticum . (anglicky)  // Arch. microbiol. : deník. - 1993. - Ne. 160 . — S. 273-278 .
  18. ↑ Andreesen JR, Gottschalk G., Schlegel HG Clostridium formicoaceticum nov. spec. izolace, popis a odlišení od C. aceticum a C. thermoaceticum.  (anglicky)  // Arch. microbiol. : deník. - 1970. - Ne. 72 . - S. 154-174 .
  19. ↑ Braun K., Gottschalk G. Vliv molekulárního vodíku a oxidu uhličitého na chemoorganotrofní růst Acetobacterium woodii a Clostridium aceticum . (anglicky)  // Arch. microbiol. : deník. - 1981. - Ne. 128 . - str. 294-298 .
  20. ↑ O'Brien W.E., Ljungdahl L.G. Fermentace fruktózy a syntéza acetátu z oxidu uhličitého pomocí Clostridium formicoaceticum . (anglicky)  // J. Bacteriol. : deník. - 1972. - Ne. 109 . - S. 626-632 .
  21. ↑ Schuchmann K., Müller V. Energetika a aplikace heterotrofie u acetogenních bakterií   // Aplikovaná a environmentální mikrobiologie : deník. - 2016. - Červenec ( roč. 82 , č. 14 ). - S. 4056-4069 . - doi : 10.1128/AEM.00882-16 . — PMID 27208103 .