Metanogeneze , biosyntéza metanu je proces tvorby metanu anaerobními archaea , spojený s jejich produkcí energie. Existují tři typy metanogeneze:
Současně je energie ukládána ve formě sodíkového nebo protonového transmembránového potenciálu a je transformována ATP syntázami na chemickou (vazby v molekule ATP ). V souvislosti s procesem metanogeneze se někdy používají termíny uhličitanová respirace nebo metanová fermentace . Vzhledem k tomu , že nedochází k žádným reakcím fosforylace substrátu v reakcích methanogeneze , charakteristických pro fermentační procesy , a protonový nebo sodíkový gradient na membráně je tvořen membránovými enzymy , které nejsou zahrnuty v respiračním elektronovém transportním řetězci , nejsou tyto termíny zcela přesné pro jejich aplikaci.
Metanogeneze hraje v přírodě důležitou roli, je hlavním zdrojem metanu v zemské atmosféře . Používaný lidmi k výrobě bioplynu .
Reakce metanogeneze | ΔG 0' [kJ/mol CH 4 ] [1] | organismy |
Autotrofní produkce metanu | ||
C02 + 4H2 - > CH4 + 2 H20 | −135 | Většina metanogenů |
4 HCOOH → CH4 + 3 CO2 + 2 H20 | −130 | mnoho hydrogenotrofních methanogenů |
CO 2 + 4 CH 3 (CH 3 ) CH-OH → CH 4 + 4 CH 3 (CH 3 ) C=0 + 2 H20 | −37 | některé hydrogenotrofní methanogeny |
4CO + 2 H20 → CH4 + 3 CO2 | −196 | Methanothermobacter a Methanosarcina |
Methylotrofní varianta (ze sloučenin obsahujících skupinu C1) | ||
4 CH 3 OH → 3 CH 4 + CO 2 + 2 H20 | −105 | Methanosarcina a další methylotrofní methanogeny |
CH3OH + H2 → CH4 + H20 _ _ | −113 | Methanomicrococcus blatticola a Methanosphaera stadtmanae |
4 ( СH3 ) SH + 2H20 → 3CH4 + CO2 + 4H2S | ||
2 (CH 3 ) 2S + 2 H 2 O → 3 CH 4 + CO 2 + 2 H 2 S | −49 | některé methylotrofní methanogeny |
4 CH 3 NH 2 + 2 H 2 O → 3 CH 4 + CO 2 + 4 NH 3 | −75 | některé methylotrofní methanogeny |
2 (CH 3 ) 2 NH + 2 H 2 O → 3 CH 4 + CO 2 + 2 NH 3 | −73 | některé methylotrofní methanogeny |
4 (CH 3 ) 3N + 6 H 2 O → 9 CH 4 + 3 CO 2 + 4 NH 3 | −74 | některé methylotrofní methanogeny |
( CH3 ) 4N _OH + H20 → 3CH4 + CO2 + NH3 | ||
4 CH 3 NH 3 Cl + 2 H 2 O → 3 CH 4 + CO 2 + 4 NH 4 Cl | −74 | některé methylotrofní methanogeny |
s N-methylovanými aminy majícími postranní řetězec C2 | ||
4 (CH 3 ) 3N + CH 2 CH 2 OH + 6 H 2 O → 4 H 2 NCH 2 CH 2 OH + 9 CH 4 + 3 CO 2 + 4 H + | −63 [2] | nějaký Methanosarcina |
2 (CH 3 ) 2 NCH 2 CH 2 OH + 2 H 2 O → 2 H 2 NCH 2 CH 2 OH + 3 CH 4 + 3 CO 2 | −47 [2] | nějaký Methanosarcina |
4 (CH 3 ) 3 N + CH 2 COO - + 2 H 2 O → 4 (CH 3 ) 2 NH + CH 2 COO - + 3 CH 4 + CO 2 | −240 [3] | nějaký Methanosarcina |
Acetoklastická metanogeneze | ||
CH 3 COOH → CH 4 + CO 2 | −33 | Methanosarcina a Methanosaeta |
Na procesu methanogeneze se podílejí specifické koenzymy : nosiče methyl C1 skupiny ( methanofuran (MF), 5,6,7,8-tetrahydromethanopterin (H 4 MP) a koenzym M (2-merkaptoethansulfonát, CoM)) a nosiče elektronů ( F 420 (5-deazaflafin) F 430 , koenzym B (7-merkapto-heptanoyl-threonin fosfát, CoB)) a methanofenazin (MP). H 4 MP a metanofuran se nacházejí v methylotrofních bakteriích , H 4 MP, F 420 a koenzym M jsou podobné koenzymům nalezeným v bakteriích a eukaryotech, F 430 a koenzym B nemají v jiných organismech obdoby. Analogy H 4 MP, methanofuranu a CoM v eubakteriích a eukaryotech jsou tetrahydrofolát a S-adenosylmethionin . Přítomnost unikátních kofaktorů v metanogenních archaeách je základem jedné z hypotéz o jejich samostatné evoluci. Přítomnost archabakteriálních koenzymů v eubakteriích je důkazem nedávného horizontálního přenosu genů .
Nejlépe je prozkoumán proces redukce oxidu uhličitého na metan.
C02 + 4H2 - > CH4 + 2H20 _ Hydrogenotrofní methanogeny bez cytochromůVětšina methanogenů používá jako redukční činidlo vodík [1] . Takové methanogeny se nazývají vodík-oxidující nebo hydrogenotrofní . Mezi obligátní hydrogenotrofy patří čeledi Methanopyrales , Methanobacteriales , Methanococcales a Methanomicrobiales . Výjimkou mezi Methanomicrobiales je Methanosphaera stadtmanae , která žije v lidském trávicím traktu. Jako substráty pro methanogenezi používá methanol a vodík, protože nemůže využívat CO 2 [4] .
Autotrofní methanogeny na rozdíl od čeledi Methanosarcinales neobsahují cytochromy a nemají funkční analog chinonů – metanofenazin [5] . Aftotrofní methanogeny získávají energii pomocí chemiosmózy , ale bez pomoci chinonů nebo cytochromů a jejich analogů. Pěstujte pouze na H 2 + CO 2 nebo kyselině mravenčí a nelze používat methylované sloučeniny nebo acetát. K jejich růstu přitom stačí, když je parciální tlak H 2 menší než 10 Pa, k provedení methanogeneze. Jejich doba zdvojení buněk je méně než hodinu. Mezi methanogeny bez cytochromů existuje mnoho hypertermofilních druhů.
Proces methanogeneze začíná aktivací z CO2 unikátním kofaktorem metanofuranem, který vede ke vzniku N-karboxymethanofuranu, nestabilního meziproduktu, který se redukuje na stabilní sloučeninu N-formylmethanofuran. Tato reakce vyžaduje redukční činidlo ve formě redukovaného ferredoxinu . Elektrony potřebné pro tuto redukční reakci dodává vodík během oxidace. Alternativně mohou být dodávány formiátem, když jsou oxidovány formiátdehydrogenázou na C02 . Vzhledem k tomu, že tvorba N-formylmethanofuranu je endergonickou reakcí, je zapojena nezbytná energie elektrochemického iontového gradientu membrány [6] . Formylová skupina je pak přenesena na další kofaktor, tetrahydromethanopterin, strukturálně podobný tetrahydrofolátu jiných organismů . Poté je formylová skupina navázaná na tetrahydromethanopterin dehydratována a postupně redukována na N5,N10- methenyl -H4MPT , N5, N10 - methylen - H4MPT a N5 , N10 - methyl - H4MPT nebo molekulární vodík, nebo za účasti F 420 [7] . Tento proces je zcela reverzibilní a lze jej provádět i obráceně. Oxidovaný F 420 je regenerován železo-niklovou F 420 - dependentní hydrogenázou (EC 1.12.98.1).
Poté je výsledná methylová skupina přenesena na koenzym M pomocí membránového proteinu methyltetrahydromethanopterin:koenzym M-methyltransferáza (EC 2.1.1.86). Methyltransferáza je membránově vázaný protein. Přenos methylové skupiny z methyl-H 4 MP na koenzym M je exergonická reakce (ΔG 0 '= -29 kJ/mol) [6] ). Metanogeny využívají uvolněnou energii k exportu asi dvou sodíkových iontů z buňky. V důsledku toho se vytváří membránový gradient sodných iontů, který se používá pro syntézu ATP. Methyl-S-CoM je redukován koenzymem B na methan za účasti methyl-CoM reduktázy za vzniku methanu a také heterodisulfidu koenzymů B a M. Jedná se o klíčovou reakci při syntéze methanu. Methyl-CoM reduktáza obsahuje kofaktor F 430 . Poslední dvě reakce jsou nevratné.
Autotrofní methanogeny, na rozdíl od jiných methanogenů, nemají ani metanofenazin, ani heterodisulfidreduktázu vázanou na membránu [8] . K redukci heterodisulfidu využívají cytoplazmatickou heterodisulfidreduktázu, která díky energii oxidační reakce vodíku rovněž obnovuje ferredoxin mechanismem bifurkace elektronů . Fungování cytoplazmatického enzymu není spojeno s vytvořením protonové hybné síly. Methanogeny bez cytochromu proto mohou využívat pouze gradient sodíku vytvořený methyltransferázou. Autotrofní methanogeny vyžadují pro svůj růst přítomnost sodných iontů, protože tento kationt se používá v mechanismu ukládání energie.
N 5 ,N 10 -methyl-H 4 MPT slouží jako odbočka mezi procesem methanogeneze a syntézou acetyl-CoA v methanogenech. Během syntézy acetyl-CoA je methylová skupina přenášena homologem methyltetrahydromethanopterin:koenzym M-methyltransferáza (EC 2.1.1.86), enzymem 5-methyltetrahydrofolát:korrinoid/železo-sírový protein methyltransferáza (EC 2.1.1.258). Tato methylová skupina poté reaguje se skupinou CO vytvořenou anaerobní CO dehydrogenázou (EC 1.2.7.4) za vzniku acetyl-CoA. Acetyl-CoA se používá k syntéze sacharidů.
Číslo
reakce |
Enzym | Kód KF | katalyzovaná reakce |
---|---|---|---|
jeden | formylmethanofuran:ferredoxin oxidoreduktáza | 1.2.7.12 | Obnovení CO 2 + 2PD . + methanofuran \u003d formylmethanofuran + H20 + 2 Fd oxid. |
2 | formylmethanofuran:tetrahydromethanopterin formyltransferáza | 2.3.1.101 | formylmethanofuran + H 4 MP = formyl-H 4 MP + methanofuran |
3 | metenyl-tetrahydromethanopterin cyklohydroláza | 3.5.4.27 | formyl- H4MP = methenyl - H4MP + H20 |
čtyři | H2 dependentní methylentetrahydromethanopterindehydrogenáza | 1.12.98.2 | metenyl-H 4 MP + H2 \ u003d H + + methylen-H 4 MP |
5 | F 420 - závislá methylen-tetrahydromethanopterin reduktáza | 1.5.98.2 | methylen-H 4 MP + F 420 H2 = methyl-H 4 MP + F 420 |
6 | methyl-tetrahydromethanopterin: koenzym M methyltransferáza | 2.1.1.86 | methyl- H4MP + HSCoM + Na + int = H4MP + methyl-SCoM + Na + ext. |
7 | methyl-koenzym M reduktáza | 2.8.4.1 | methyl-SCoM + HSCoB = CoM-SS-CoB + CH4 |
osm | cytoplazmatický H 2 : CoB-CoM heterodisulfid, ferredoxin reduktáza (H 2 - dependentní) | 1.8.98.5 | 2H 2 + CoM-SS-CoB + 2Pd obnovení. = 2H + + HSCoM + HSCoB + 2 Phd oxid . |
9 | F420 - dependentní hydrogenáza | 1.12.98.1 | H2 + F 420 = F 420 H2 |
Kyselinu mravenčí nebo její anion, formiát (HCOO - ) může jako substrát používat asi polovina všech methanogenů [9] . Na rozdíl od oxidu uhličitého se nepřevádí přímo na methanofuran, ale nejprve se oxiduje formiátdehydrogenázou na oxid uhličitý. Enzym obsahuje molybdenové a železito-sirné klastry a byl již izolován např. z Methanobacterium formicicium a Methanococcus vannielii.F 420 je současně při reakci redukován . Oxid uhličitý se pak redukuje na methan, jak je popsáno výše.
Pokud jde o postupnou redukci CO 2 na metan, vyžaduje to redukční činidla. Proto použití mravenčanu v methanogenezi vyžaduje celkem osm elektronů. To zajišťuje oxidace čtyř molekul kyseliny mravenčí na oxid uhličitý. Uvolní se tři molekuly a jedna se redukuje na metan. Konečná rovnice procesu:
Methanogeny řádu Methanosarcinales obsahují na rozdíl od jiných řádů methanogenních bakterií cytochromy a metanofenazin . Metanofenazin je univerzálním přenašečem elektronů v membráně těchto methanogenů a nahrazuje zde chinon , který je u jiných organismů nezbytný pro přenos elektronů v dýchacím řetězci . Methanosarcinales jsou nejuniverzálnější methanogeny, pro růst mohou využívat velmi odlišné sloučeniny.
Autotrofní methanogenezeMohou také používat směs H 2 + CO 2 , ale na rozdíl od autotrofních methanogenů musí být parciální tlak vodíku vyšší než 10 Pa. Methanogeny s cytochromy rostou pomalu, rychlost jejich dělení je více než 10 hodin na dělení buňky. Dosud nebyli nalezeni zástupci metanogenů s cytochromy, kteří by rostli za hypertermofilních podmínek. To je způsobeno nestabilitou cytochromů při vysokých teplotách. Metanosarciny také nemohou používat kyselinu mravenčí.
Methylotrofní methanogenezeMnoho metanosarcinů roste na acetátu a methylovaných sloučeninách, jako je methanol , methylaminy ( mono- , di- , trimethylamin ), methylthioly ( dimethylsulfid , methanthiol ) [9] .
N-methylované aminy s postranní C 2 uhlíkovou skupinou mohou k methanogenezi využít i některé methanogeny rodu Methanococcoides (patřící do Methanosarcinales ) [3] [2] . V těchto sloučeninách se však používají pouze methylové skupiny. Například cholin nebo dimethylaminoethanol (DMAE) se rozkládá na ethanolamin a methylová skupina se používá v reakcích methanogeneze. Dimethylethanolamin se používá mimo jiné Methanococcoides methylutens a Methanococcoides burtonii . Betain také slouží jako substrát pro některé druhy Methanococcoides : podobně jako u cholinu se methylová skupina redukuje na methan a uvolňuje se dimethylglycin . Stále se zkoumá, zda methanogeny mohou využívat i methylované aminy s delšími postranními řetězci.
Vzhledem k tomu, že uhlík v methylové skupině je více redukován než v CO 2 , C1 sloučeniny nemusí jít celou cestou, jako u oxidu uhličitého. Proto se účastní reakcí ve spodní třetině methanogenezní dráhy ve formě methyl-CoM. Kromě přímé cesty k metanu musí být methylované sloučeniny také oxidovány na oxid uhličitý v opačném sledu reakcí, než je tomu u hydrogenotrofní methanogeneze. V methylotrofních methanogenech tedy existuje oxidační a redukční větev. To je způsobeno skutečností, že elektrony pro redukční větev musí být odebírány z reakcí oxidace methylové skupiny na oxid uhličitý, protože použití environmentálního vodíku (jako zdroje elektronů) často není možné.
Například, když je methanol oxidován na oxid uhličitý, tři molekuly se redukují na metan, s pomocí 6 elektronů získaných během oxidace čtvrté molekuly. Tato disproporcionace nastává podle rovnice:
Oxidační a redukční větve také fungují během absorpce methylaminů Methanosarcina . Methylaminy se metabolizují na metan, CO 2 a čpavek (NH 3 ), v důsledku čehož se tři a methylové skupiny redukují na metan a jedna se oxiduje na oxid uhličitý.
Například čtyři molekuly methylaminu se převedou podle rovnice:
Methylované C1 sloučeniny se zpravidla rozkládají podle reakce:
(kde R = –SH, –OH, –NH2 , –NHCH3 , –N(CH3 ) 2 , –N ( CH3 ) 3+ )
Přenos methylové skupiny z C1 sloučenin na CoM je katalyzován cytosolickými methyltransferázami, ve kterých aktivní centrum obsahuje aminokyselinu pyrrolysin a korrinoid jako prostetickou skupinu.
V oxidativní větvi je methylová skupina přenášena membránově vázanou methyltetrahydromethanopterin:CoM methyltransferázou. Protože tato reakce spotřebovává energii, používá se k tomuto účelu elektrochemický gradient sodných iontů. Methyltetrahydromethanopterin se oxiduje za vzniku redukovaného F 420 . Formylová skupina se poté přenese na methanofuran a nakonec se oxiduje formyldehydrogenázou na oxid uhličitý.
Jedním z rozdílů mezi methylotrofními methanogeny a jinými methanogeny je to, že často mají upravené verze tetrahydromethanopterinu a jeho derivátů. Některé methanogeny (včetně rodů Methanosarcina a Methanocaldococcus jannaschii) mají kofaktor tetrahydrosarcinopterin, který vzniká z tetrahydromethanopterinu přidáním glutamátového zbytku.Členové rodu Methanogenium obsahují tathiopterin, který se od tetrahydrosarcinopterinu liší přítomností přídavku aspartátu postranní řetězec a nepřítomnost 7-methylové skupiny ve fragmentu pterinu.
Kromě gradientu sodíku vytvořeného methyltetrahydromethanopterin:CoM methyltransferázou se energie v methylotrofních methanogenech také ukládá, když je heterodisulfid redukován membránovým enzymatickým komplexem hydrogenázy a hydrodisulfidreduktázy . U druhů Methanosarcina se heterodisulfidová reduktáza skládá ze dvou podjednotek (HdrDE) [10] . Enzym je membránový protein. Donorem elektronů je redukovaný methanofenazin, sloučenina podobná chinonu, která se nachází v membráně. Elektrony potřebné k redukci heterodisulfidu se odebírají přímo z vodíku jeho oxidací H 2 : metanofenazin dehydrogenázou (EC 1.12.98.3, Vho), která obsahuje mimo jiné hem b jako prostetickou skupinu. Alternativně mohou být elektrony dodávány redukovaným F 420 . Během reakce jsou protony transportovány z buňky ven. To znamená, že tento komplex slouží jako protonová pumpa . Nepřímá redukční reakce methanofenazinu se provádí pomocí F 420 : metanofenazin dehydrogenáza (EC 1.5.98.3, Fpo). Oxidovaný F 420 se redukuje vodíkem za použití F 420 -redukující hydrogenázy (EC 1.12.98.1). Hydrogenázový komplex byl nalezen u Methanosarcina barkeri , který žije ve sladké vodě. Methanosarcina acetivorans , archaea se slanou vodou, oxiduje místo vodíkem redukovaného ferredoxinu v podobném membránovém komplexu (Rnf) obsahujícím cytochrom c jako prostetickou skupinu.
Methanogeny tedy vytvářejí jak protonový gradient, tak gradient iontů sodíku (Δµ H + , Δµ Na + ) [6] . Metanogeny jsou jediné organismy, které vytvářejí tyto dva gradienty paralelně.
Téměř všechny methanogeny jsou schopny oxidovat vodík oxidem uhličitým, ale pouze dva rody ( Methanosarcina , Methanothrix ( Methanosaeta )) dokážou dekarboxylovat acetát. Zároveň se nejvíce podílejí na globálních emisích metanu [9] . Metan získaný díky nim tvoří 66 % hotové produkce metanu na Zemi [11] . Říká se jim acetoklastické methanogeny. Acetát (CH 3 COOH) je jediná C 2 sloučenina, která může být použita pro methanogenezi.
Pro použití jako substrát pro methanogenezi je acetát „aktivován“ reakcí s koenzymem A za vzniku acetyl-CoA . Jsou dvě možnosti:
Acetyl-CoA se rozkládá na tři části v komplexu s CO-dehydrogenázou/acetyl-CoA syntázou (CODH/ACS). Komplex přenese methylovou skupinu (CH3- ) na H4MP , která se převede na methan, jak je popsáno výše. Karboxylová skupina (-CO) je oxidována na CO 2 ve stavu vázaném na enzymový komplex. Volný koenzym A se uvolňuje do cytoplazmy. Jedna molekula acetátu tedy tvoří jednu molekulu oxidu uhličitého a jednu molekulu methanu, podle reakce:
Heterodisulfid CoM-SS-CoM, který se získává při syntéze methanu, je redukován na koenzymy M a B působením membránového dihydromethanofenazinu: CoB-CoM heterodisulfidreduktázy (HdrDE, EC 1.8.98.1) [12] . Když je heterodisulfid redukován z cytoplazmy, jsou absorbovány dva protony a vzniká protonová hnací síla [13] . Donorem elektronů je dihydromethanofenazin, získaný použitím vodíkových elektronů, buď přímo, nebo redukcí F 420 . K přímé redukci dochází působením fenazinhydrogenázy I (EC 1.12.98.3). K nepřímé redukci dochází zapojením F 420 H 2 : metanofenazindehydrogenázy (EC 1.5.98.3). Samotný redukovaný faktor F 420 se získá redukcí vodíkem za působení hydrogenázy F 420 (EC 1.12.98.1). Obě membránově vázané dehydrogenázy přenášejí proton přes membránu. Výsledkem je protonový gradient pro syntézu ATP.
Oxid uhelnatý (CO) může být pro methanogenezi použit pouze u několika druhů [1] . Methanothermobacter thermoautotrophicus a Methanosarcina barkeri tvoří tři molekuly CO2 a jednu molekulu metanu ze čtyř molekul CO . Methanosarcina acetivorans může také používat CO jako substrát, což vede k paralelní tvorbě acetátu a fomátu [14] . Tento typ acetogeneze u methanogenů se nazývá karboxytrofní acetogeneze [15] .
V procesu methanogeneze vzniká jak protonový gradient, tak gradient sodných iontů (Δµ H + , Δµ Na + ) [6] . Metanogeny jsou jediné organismy, které vytvářejí tyto dva gradienty paralelně. Stejně jako u anaerobního nebo aerobního dýchání se energie rozdílu koncentrací iontů využívá k syntéze ATP za účasti ATP syntázy .
Archaea mají vlastní ATP syntázu typu A 1 A 0 , bakterie, mitochondrie a chloroplasty F 1 F 0 -ATP syntázu a eukaryota V 1 V 0 . Methanogeny využívají A 1 A 0 -ATP syntázu. V genomu Ms. barkeri a paní. acetivorans geny pro bakteriální F 1 F 0 -ATP syntázu. Nelze však přesně říci, zda jsou vyjádřeny a fungují [6] . Tyto geny se pravděpodobně objevily v genomu těchto archaea horizontálním přenosem genů .
Není jasné, zda ATP syntázy typu A 1 A 0 v metanogenních archaea využívají sodíkové ionty nebo protony. Vzhledem k přítomnosti Na + /H + antiporteru se však rozdíl v koncentracích sodíkových iontů může vždy převést na protonovou hybnou sílu.
Přesná struktura ATP syntázy je stále předmětem výzkumu. Ačkoli A 1 A 0 -ATP syntázy připomínají eukaryotické V 1 V 0 - typy, funkčně produkují ATP, zatímco eukaryotické naopak hydrolyzují a spotřebovávají ATP k vytvoření iontového gradientu [9] . Většina archaea má rotor 12 podjednotek. Katalytická doména, která generuje ATP, má tři vazebná místa. Pro syntézu molekuly ATP tedy stačí čtyři protony. Výjimkou je ATP syntáza Mc. janaschii a Mc. maripaludis , kde rotační prvek má pouze 8 skupin. Pro syntézu jedné molekuly ATP stačí v průměru 2,6 protonu.
Redukce oxidu uhličitého na metan vodíkem je exergonický proces (probíhá za uvolňování energie). Za standardních podmínek při pH=7 je změna Gibbsovy energie ΔG 0 ' −130 [16] , −131 [6] , [17] , [15] nebo 135 [1] kJ/mol CH 4 v závislosti na literární zdroj. Za takových podmínek mohou během methanogeneze vzniknout 3 molekuly ATP z ADP a anorganického fosfátu na molekulu vytvořeného metanu. Hodnoty ΔG 0 ' pro další reakce tvorby metanu jsou uvedeny v tabulce výše.
Pro výpočet ΔG 0 ' se používá teplota 25°С, pH=7 a rovnovážná koncentrace rozpuštěných plynů při jejich tlaku 10 5 Pa [17] . To však neodpovídá podmínkám přírodních stanovišť, protože tak vysoké koncentrace plynu se v prostředí nevyskytují a nelze je v buňce udržet. V přirozených podmínkách je tedy výdej energie nižší.
Na většině stanovišť je pozorován tlak vodíku asi 1-10 Pa [17] . Při tomto tlaku H 2 a pH=7 je změna volné energie od 17 do 40 kJ/mol metanu, což může znamenat syntézu méně než jedné molekuly ATP na molekulu produkovaného metanu. Kromě toho hraje při výpočtu ΔG roli hodnota pH, tlak a teplota. Například změna volné energie při redukci oxidu uhličitého na metan vodíkem za standardních podmínek (25°С) klesne z −131 kJ/mol na −100 kJ/mol, vezmeme-li vypočtenou teplotu 100°С [ 17] .
Dokonce i když jsou použity jiné C1 sloučeniny, ΔG ' je nízké, takže mnoho methanogenů roste blízko "termodynamického limitu" [6] .
Asi 50 druhů ze 17 rodů má schopnost tvořit metan, z nichž všechny patří do archaea divize Euryarchaeota . Tradičně jsou považovány za skupinu bakterií produkujících metan , nicméně fylogeneticky jsou velmi heterogenní. Existují čtyři třídy zahrnující 6 řádů: Methanobacteria ( Methanobacteriales ), Methanococci ( Methanococcales ), Methanopyri ( Methanopyrales ) a Methanomicrobiales se 3 řády ( Methanomicrobiales , Methanosarcinales a Methanocellales ). Methanopyrales je fylogeneticky nejstarší, zatímco Methanosarcinales je nejmladší [17] [18] [19] . Řád Methanocellales , objevený v roce 2008, je příbuzný archaea Methanocella paludicola a Methanocella arvoryzae , vyskytující se v půdě rýžových polí. Zabývají se autotrofní metanogenezí. Methanoplasmatales , které jsou příbuzné s Thermoplasmatales , byly navrženy v literatuře jako sedmý řád [20] , ale poté byly přejmenovány na Methanomassiliicoccales . [21] [22]
Všechny methanogeny jsou striktní anaeroby, růst některých z nich je zcela potlačen, když se v plynné fázi objeví 0,004% kyslíku , první druhy izolované v čistých kulturách rostly při redoxním potenciálu média menším než -300 mV. Většina z nich jsou mezofilové a mají růstové optimum v oblasti 30-40°C, všechny mají optimální pH 6,5-7,5, existují halofily .
Asi polovina druhů je autotrofních a fixuje oxid uhličitý cestou acetyl-CoA , řada z nich je schopna fixace dusíku ( Methanosarcina barkeri , Methanobacterium formicium ). Síra se vstřebává nejčastěji v redukované formě, na metabolismu se může podílet molekulární síra, siřičitanový anion. Pouze několik druhů ( Methanobrevibacter ruminantium , Methanococcus thermolithrophicum ) může používat síranový anion.
Analýza genomu ukazuje, že metanogeneze vznikla během formování Euryarchaeota a teprve po divergenci od Thermococcales [23] . To je podpořeno skutečností, že všechny methanogeny sdílejí stejné homologní enzymy a kofaktory pro centrální metanogenní dráhu. Navíc k výskytu metanogeneze došlo pravděpodobně pouze jednou, protože nebyl nalezen horizontální přenos genů mezi metanogeny a řády Thermoplasmatales , Archaeoglobales a Halobacteriales , které metanogenezi provádět nemohou. Pravděpodobně archaea v těchto třech řádech ztratila v průběhu evoluce schopnost metanogeneze.
Proč methanogeneze vznikla v Euryarchaeota poměrně brzy a „najednou“, zůstává předmětem výzkumu. Existuje několik teorií o původu metanogeneze. Jedna teorie říká, že poslední společný předek Archaea byl sám metanogenní organismus [23] . Některé archaea využívají metanogenezi v prostředí s vysokou slaností, kyselostí a vysokými teplotami. Protože tyto podmínky prostředí údajně převládaly i po vzniku Země, mohla být metanogenní Archaea jednou z prvních forem života [6] . Schopnost metanogeneze by proto byla ztracena nezávisle u všech Crenarchaeota , stejně jako u všech ostatních nemetanogenních linií, což je velmi nepravděpodobné [11] .
Podle jiné teorie je vznik metanogeneze spojen s nutností oxidace metanu, tedy cestou zpět. Tyto bakterie, také nazývané metanotrofy , oxidují metan na oxid uhličitý a vodu za aerobních podmínek, zatímco u archaea se jedná o anaerobní proces [24] . Existuje také opačný názor, že taková metanotrofní archaea se objevila z metanogenních archeí. Předpokládá se, že metanogeneze, archaální anaerobní metanotrofie a bakteriální aerobní metanotrofie se vyvinuly ze společné metabolické dráhy, kterou původně používal poslední společný předek k detoxikaci formaldehydu .
Nová teorie uvažuje o roli pyrrolysinu v methylotrofní methanogenezi u Methanosarcinales , čímž jsou methylaminy zahrnuty do methanogeneze [11] . Methylová skupina methylaminů je přenesena na korrinoidní protein pomocí specifické methyltransferázy (viz část výše). Methyltransferázy obsahují 22 aminokyselin – pyrrolysin v katalyticky aktivním centru. Protože všechny pyrrolysinové enzymy jsou fylogeneticky velmi staré, má se za to, že byly horizontálně přeneseny z několika donorových linií, které jsou nyní buď vyhynulé, nebo ještě nebyly objeveny. To však také znamená, že rodová linie, ve které enzym vznikl, již dosáhla určitého stupně diverzity v době, kdy existoval společný předek tří hlavních oblastí života.
Cytochromy byly nalezeny pouze u Methanosarcinales , které metabolizují širší škálu substrátů než methanogeny bez cytochromů a také používají acetát. Předpokládá se, že acetoklastická methanogeneze se objevila pozdě. Geny acetátkinázy potřebné pro využití acetátu jsou pravděpodobně nejprve přeneseny do metanogenních archaea horizontálním přenosem genů z jejich asociovaných acetogenních klostridií degradujících celulózu [25] [26] .
Při pěstování na směsi oxidu uhličitého a vodíku vyžadují Methanosarcinales vysoké koncentrace H 2 . Proto při nízkých koncentracích plynu přednostně rostou methanogeny bez cytochromů. V důsledku evoluce některé Methanosarcinales , jako je Ms. acetivorans , Methanolobus tindarius a Methanothrix soehngenii zcela ztratili schopnost využívat oxid uhličitý jako substrát ve směsi s vodíkem [17] . Protože metanogeneze na směsi oxidu uhličitého a vodíku je velmi rozšířená, má se za to, že tato forma je nejstarší [21] .
Metanogeneze je klíčovou součástí zemského uhlíkového cyklu . Metanogeny dokončují anaerobní degradaci biomasy pomocí molekulárního vodíku, oxidu uhličitého a oxidu uhelnatého, jakož i nižších organických kyselin uvolňovaných během fermentačních procesů . Tím je vrátíme zpět do uhlíkového cyklu. Protože tyto plyny, a zejména metan, jsou hlavními skleníkovými plyny , je metanogeneze nezbytná pro proces globálního oteplování [6] . Vznik biogenního metanu pravděpodobně hraje roli při tvorbě hydrátu metanu , jehož ekonomické využití je zajímavé. Více než 20 % světových zásob metanu je biogenního původu.
Metanogeneze také hraje důležitou roli na konci anaerobního potravního řetězce, protože umožňuje růst mnoha syntrofních bakteriálních druhů. Tyto sekundární fermentory získávají energii z fermentace laktátu, propionátu, butyrátu a jednoduchých organických sloučenin, přičemž se uvolňuje vodík, CO 2 a acetát. Z termodynamických důvodů jsou však tyto fermentační reakce možné pouze tehdy, pokud je vyrobený vodík rychle spotřebován a parciální tlak H 2 nestoupá nad 100 Pa. Absorpci vodíku zajišťují blízce příbuzné methanogeny, které tento vodík potřebují pro metanogenezi. Přenos vodíku mezi syntrofními bakteriemi a archaeami, tedy mezi různými druhy, se také nazývá mezidruhový přenos vodíku [27] [1] .
Vzhledem k tomu, že methanogeny spojené se syntrofickými bakteriemi se nacházejí také v lidském trávicím traktu, má metanogeneze dopad na trávení [28] . Asi 10 % anaerobních bakterií žijících v lidském trávicím traktu jsou methanogeny druhů Methanobrevibacter smithii a Methanosphaera stadtmanae . K metanogenezi používají dva produkty bakteriální fermentace: vodík a mravenčan. Vysoká koncentrace vodíku inhibuje produkci ATP jinými bakteriemi. M. smithii také metabolizuje metanol , který je pro člověka toxický. Methanogeny proto pozitivně ovlivňují střevní flóru člověka .
K tvorbě metanu v přírodě dochází ve výhradně anaerobních prostředích, ve kterých dochází k rozkladu biomasy. Mohou to být například dnové sedimenty jezer a moří, bachor dobytka , termití a lidská střeva , rýžová pole nebo bažiny . Metanogeny také využívají metabolity bakterií Clostridium butyricum , které způsobují hnilobu vlhkého dřeva [21] .
Metanogeny uzavírají tzv. „anaerobní potravní řetězec“ [9] . Na začátku tohoto řetězce se biopolymery , jako jsou proteiny a polysacharidy , zejména celulóza , nejprve rozloží na monomery ( aminokyseliny a sacharidy ). Lipidy se rozkládají na jejich základní složky (např. mastné kyseliny ). Bakterie pak fermentují tyto produkty rozkladu na jednoduché karboxylové kyseliny (jako je formiát , acetát , pripionát , laktát a sukcinát ), alkoholy (jako je ethanol , isopropanol a butanol ) a další sloučeniny s nízkou molekulovou hmotností ( H2 , CO2 a ketony s krátkým řetězcem) . Syntrofní acetogenní bakterie využívají některé z těchto sloučenin a převádějí je na C1 sloučeniny a acetát. V poslední části anaerobního potravního řetězce jsou tyto sloučeniny využívány v methanogenezi jako zdroj uhlíku, energie a redukčních činidel tvořících CH 4 a CO 2 .
C1 - sloučeniny s methylovou skupinou, jako je methylamin (CH 3 NH 2 ) nebo methanol (CH 3 OH), jsou zvláště běžné v mořské nebo brakické vodě a jsou produkty anaerobní degradace buněčných složek některých rostlin a fytoplanktonu [ 9] .
Jako umělou přísadu lze metanogeny použít k čištění odpadních vod . Tato stanoviště jsou vhodná pro mezofilní organismy rostoucí při mírných teplotách. Metanogeneze probíhá v prostředí s extrémně vysokými a nízkými teplotami [29] a vysokou slaností nebo vysokou kyselostí, jako jsou geotermální prameny . Ve všech případech musí být v těchto biotopech koncentrace iontů síranu, dusičnanu, manganu (IV) a železitých (III) iontů nízké, jinak bakterie používají tyto ionty jako akceptory elektronů při anaerobním dýchání za použití stejných substrátů jako methanogeny jako donory. elektrony. Redoxní procesy anaerobního dýchání jsou z energetického hlediska výhodnější a probíhají před procesy metanogeneze, a proto metanogeny ztrácejí zdroj energie a ztrácejí konkurenci [17] . Za anaerobních podmínek je oxid uhličitý jen zřídka limitujícím substrátem, protože je průběžně uvolňován během fermentačních reakcí doprovodnými bakteriemi [1] . Většina methanogenů preferuje neutrální pH , s výjimkou například Methanocalculus alkaliphilus nebo Methanosalsum natronophilum , u kterých je optimum pro růst v zásaditém prostředí a je 9,5 nebo Methanoregula booneii 5,1 jednotek pH [21]