Окисление углеродных соединений как основное свойство метанотрофов

Метанотрофы по способу питания относят к автотрофныммикроорганизмам. Это проявляется как в способности метанотрофов синтезировать все вещества клетки из С₁-соединений, так и функционированию развитого у них меха­низма ассимиляции СО₂ в восстановительном пентозофосфатном цикле.

Помимо метана в качестве единственного источника углерода и энергии облигатные метанотрофы могут использовать метанол, формальдегид и другие С₁-соединения, а факультативные — же С₂-, С₄-кислоты, этанол, глюкозу. Использование метанотрофами С₁-соединений в конструктивном и энергетическом метаболизме привело к формированию у них специфических путей ассимиляции и диссимиляции этих соединений.

Процесс полного окисления метана может быть представлен в виде следующей схемы (рисунок 1).

Первый этап — окисление метана до метанола катализируется метанмонооксигеназой в реакции:

СН₄ + О₂ + Н₂А— СН₃ОН + А + Н₂О,

где О₂ — молекулярный кислород, а Н₂А — восстановитель. Из приведенной реакции становится понятной облигатная зависимость окисления метана от молекулярного кислорода.

Описаны две формы метанмонооксигеназы: связанная с внутрицитоплазматическими мембранами и растворимая. Остальные этапы окисления катализируются соответствующими дегидрогеназами, различающимися строением, природой акцепторов электронов и другими параметрами.

Формальдегид у метилотрофов является ключевым метаболитом, на уровне которого расходятся конструктивные и энергетические пути. Часть формальдегида превращается в вещества клетки по специфическим для этих эубактерий ассимиляционным циклическим путям, большая часть окисляется до СО₂ в линей­ной последовательности реакций через формиат.

Дыхательные цепи метилотрофов по составу переносчиков и их локализации на мембране похожи на таковые большинства аэробных эубактерий, что предполагает возможность функциони­рования у них трех пунктов сопряжения. В окислительном метабо­лизме С₁-соединений участвуют НАД, флавины, хиноны, цитохромы.

Этап окисления метана до метанола, катализируемый оксигеназным ферментом, не связан с получением клеткой энергии. Энергетическая эффективность окисления С₁-соединений соот­ветствующими дегидрогеназами определяется местом поступле­ния электронов в дыхательную цепь. Окисление метанола до фор­мальдегида, катализируемое ферментом, содержащим в качестве простетической группы особый хинон, сопровождается переда­чей электронов в дыхательную цепь на уровне цитохрома с. Это приводит к синтезу одной молекулы АТФ, т. е. указывает на функ­ционирование только третьего пункта сопряжения (см. рисунок 1).

Рисунок. 1.- Окисление метана и связь энергетического и конструктивного метаболизма у метилотрофов

Ф₁, — метанмонооксигеназа; Ф₂ — метанолдегидрогеназа; Ф₃ —формальдегиддегидрогеназа; Ф₄ — формиатдегидрогеназа; ассимиляционные циклы:

1 — риболузомонофосфатный; 2 — сериновый; 3 — восстановительный пентозофосфатный.

Окисление формальдегида и формиата, зависимое от НАД, позволяет предполагать, что перенос пары электронов может быть связан с тремя трансмембранными перемещениями протонов. Полученные экспериментальные данные указывают, однако, на меньшие выходы АТФ.

У метилотрофов функционируют циклические пути ассимиля­ции С₁-соединений, ответственные за превращения их в вещества клетки: восстановительный пентозофосфатный, рибулозомонофосфатный и сериновый. В восстановительном пентозофосфатном цикле происходит ассимиляция СО₂, образующейся при окислении С₁ -соединений.

В рибулозомонофосфатном и сериновом циклах обеспечивает­ся использование в биосинтетических процессах формальдегида, образуемого при окислении разных С₁-соединений. Эти реакции аналогичны таковым восстановительного пентозофосфатного цикла. Три оборота рибулозомонофосфатного цикла приводят к синтезу молекулы фосфодиоксиацетона, используемого в биосинтетических процессах.

Сериновый цикл существенно отличается от предыдущего пути ассимиляции формальдегида природой интермедиатов и ферментами. Эта реакция примечательна тем, что в сериновый цикл вовле­кается СО₂. Последующая серия реакций приводит к регенерированию глицина, и цикл замыкается.

Ассимиляция формальдегида через рибулозомонофосфатный цикл характерна для метилотрофов, имеющих мембранную орга­низацию I типа, а через сериновый — для метилотрофов с систе­мой внутрицитоплазматических мембран II типа.

ЦТК в системе катаболических путей не занимает ведущего ме­ста. У ряда облигатных метилотрофов он не «замкнут». Если даже содержит все ферменты, активность некоторых из них невысока.