Acetogenes

Acetogenes  är en biokemisk process som resulterar i bildandet av ättiksyra (acetat) från koldioxid och en elektrondonator (till exempel molekylärt väte , kolmonoxid , myrsyra (formiat) ). Denna process används av anaeroba organismer i sekvensen av biokemiska reaktioner av den reduktiva acetyl-CoA-vägen (Wood-Ljungdahl-vägen). En grupp av olika typer av bakterier som är kapabla till acetogenes kallas acetogener . Vissa acetogener är kapabla att autotrofiskt syntetisera acetat från koldioxid och väte [1] . Den totala reaktionen av autotrofisk acetatsyntes:

ΔG°'= -95 kJ/mol

Processen att erhålla acetat av heterotrofa acetogener från kolhydrater (till exempel glukos) kallas homoacetatfermentering :

Upptäckt

1932 upptäcktes organismer som kan omvandla molekylärt väte och koldioxid till ättiksyra . Den första arten av acetogena bakterier, Clostridium aceticum , upptäcktes 1936 av Klas Tammo Wieringa ( holländska.  Klaas Tammo Wieringa , 1891-1980). Den andra arten, Moorella thermoacetica , har väckt stort intresse för sin förmåga att omvandla glukos till 3 molekyler ättiksyra [2] .

Biokemi

Autotrofisk produktion av acetat

Autotrofisk koldioxidfixering är utbredd bland acetogena anaeroba bakterier som Acetobacterium woodii , Clostridium aceticum , Moorella thermothermoacetica och Moorella thermoautotrophica [3] . Reducerande ekvivalenter för dessa reaktioner erhålls genom inverkan av hydrogenaser på H 2 [4] [5] . Acetobacterium woodii har [FeFe]-typ cytoplasmatiskt hydrogenas [6] . Tioestern  är acetyl-CoA , bildad i sekvensen av reaktioner från Wood-Ljungdahl-vägen [7] :

som ett resultat av två på varandra följande reaktioner förvandlas det till acetat:

Acetyl-CoA + Pi → CoA + acetylfosfat Acetylfosfat + ADP → CH3COOH + ATP, ΔG ° = -12,9 kJ/mol

I den första reaktionen, katalyserad av fosfatacetyltransferas(EC 2.3.1.8), acetylfosfat [8] erhålls . Andra reaktionen katalyserad av acetatkinas(EC 2.7.2.1), leder till bildandet av ATP från ADP. Eftersom den bildade ATP-molekylen förbrukas i de första stadierna av Wood-Ljungdal-vägen leder den totala reaktionen inte till bildandet av ATP. ATP bildas på grund av natriummembranpotentialen [9] i Acetobacterium woodii . Detta är inte sant för alla acetogener. Clostridium aceticum och Moorella thermoautotrophica innehåller cytokromer och verkar generera en protongradient istället för en natriumjongradient [10] .

Tillväxt med enkolssubstrat

CO 2 är den slutliga elektronacceptorn under tillväxten av acetogener. Tillväxt på reducerade (med en låg grad av koloxidation) enkolssubstrat beror strikt på tillgängligheten av exogen CO 2 i miljön . Ytterligare mängder CO 2 krävs för att regenerera de reducerade elektronbärarna, och denna regenerering måste ske innan substrat-härledd CO 2 blir tillgänglig via pyruvatdekarboxylering.

Tillväxt med kolmonoxid

Under tillväxt på CO, vars övergripande reaktion kan beskrivas som:

4CO + 2H 2 O -> CH 3 COOH + 2 CO 2

exogen CO 2 krävs trots att processen genererar ett överskott av CO 2 [11] .

CO-dehydrogenaskomplexet i sådana acetogena bakterier som Acetobacterium woodii och Moorella thermoacetica kan syntetisera acetyl-CoA från metyltetrahydrofolat och CO [12] [13] [14] [15] .

Tillväxt med metanol

Tillväxten av acetogenerna Moorella thermoacetica och Clostridium formicoaceticum på metanol sker inte utan tillsats av CO 2 [16] [17] .

Homoacetatfermentering

Glukos i det första steget omvandlas till två pyruvatmolekyler genom en sekvens av glykolysreaktioner :

glukos + 2 NAD + + 2 ADP + 2 Pi → 2 pyruvat + 2NADH + 2 H + + 2 ATP + 2 H2O

I detta skede erhålls 2 ATP-molekyler genom mekanismen för substratfosforylering .

Pyruvat oxideras sedan och dekarboxyleras till acetyl-CoA, CO2 och 4 reducerande ekvivalenter ( ferredoxin ), pyruvat:ferredoxinoxidoreduktas:

pyruvat + KoA + Fd acetyl - CoA-oxid + CO2 + Fd reducerad

2 molekyler acetyl-CoA, erhållna från pyruvat, omvandlas till två acetatmolekyler:

acetyl-CoA + Pi → CoA + acetylfosfat
acetylfosfat + ADP → CH3COOH + ATP

Denna process producerar ytterligare ATP genom en substratfosforyleringsmekanism. Åtta reducerande ekvivalenter erhållna genom glykolys och oxidativ dekarboxylering av pyruvat används sedan i Wood-Ljungdal-vägen för att reducera två CO 2 -molekyler till en ytterligare (tredje) acetatmolekyl.

Total reaktion:

C6H12O6 → 3 CH3COOH + 4ATP _ _ _

CO 2 -molekylen som reduceras av Wood-Ljungdal-vägen kommer huvudsakligen från en extern källa och inte från CO 2 -molekylen som bildas i pyruvatdekarboxyleringsreaktionen. I detta avseende är det viktigt att ytterligare tillsätta CO 2 (eller karbonater) till odlingsmediet när man odlar acetogener i laboratoriet. Denna teknik visar sig inte vara uppenbar, eftersom den inte indikeras av stökiometrin för metaboliska reaktioner. Till exempel indikerar den stökiometriska omvandlingen av sockerarter (t.ex. glukos eller fruktos till acetat (se ovan) att CO 2 inte krävs för acetogenes. Tillväxt på sockerarter kan försämras avsevärt i frånvaro av ytterligare CO 2 [18] [19] [ 20] .

Applikation

Den unika metabolismen av acetogener har biotekniska tillämpningar. Vid fermentering av kolhydrater resulterar dekarboxyleringsreaktioner i förlust av kol i form av koldioxid . Denna förlust är ett problem eftersom det finns en ökad efterfrågan på att minimera CO 2 -utsläppen och behovet av biobränsleproduktion för att framgångsrikt konkurrera med fossila bränslen på monetär basis. Acetogener kan fermentera glukos utan att bilda CO 2 och omvandla det med bildning av 3 molekyler acetat, vilket leder till en ökning av det teoretiska utbytet av produkten upp till 50 %. Acetogener ersätter inte glykolys med en annan metabolisk väg, utan inkluderar CO 2 som bildas under glykolys i processen för acetogenes [21] .

Länkar

  1. ↑ Singleton, Paul. Acetogenes // Dictionary of microbiology and molecular biology  (engelska) . — 3:a. - 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 : journal. - 2008. - December ( vol. 1784 , nr 12 ). - P. 1873-1898 . - doi : 10.1016/j.bbapap.2008.08.012 . — PMID 18801467 .
  3. ↑ Diekert G., Wohlfarth G. Metabolism of homocetogens. (engelska)  // Antonie Van Leeuwenhoek : journal. - 1994. - Nej . 66 . — S. 209-221 .
  4. ↑ Drake HL Demonstration av hydrogenas i extrakt av den homoacetatfermenterande bakterien Clostridium thermoaceticum  //  J. Bacteriol. : journal. - 1982. - Nej . 150 . — S. 702-709 .
  5. ↑ Pezacka E., Wood HG Syntesen av acetyl-CoA av Clostridium thermoaceticum från koldioxid, väte, koenzym A och metylte-trahydrofolat  (engelska)  // Arch. mikrobiol. : journal. - 1984. - Nej . 137 . — S. 63-69 .
  6. ↑ Diekert G., Wohlfarth G. Hydrogenase from Acetobacterium woodii (Eng.)  // Arch. mikrobiol. : journal. - 1994. - Nej . 139 . - s. 361-365 .  
  7. ↑ Ragsdale SW Metals och deras byggnadsställningar för att främja svåra enzymatiska reaktioner  //  Chemical Reviews : journal. - 2006. - Augusti ( vol. 106 , nr 8 ). - s. 3317-3337 . - doi : 10.1021/cr0503153 . — PMID 16895330 .
  8. ↑ Brown TD, Jones-Mortimer MC, Kornberg HL The enzymic interconversion of acetate and acetyl-coenzyme A in Escherichia coli  //  Microbiology : journal. — Mikrobiologiska sällskapet, 1977. - Vol. 102 , nr. 2 . - s. 327-336 . — PMID 21941 .
  9. ↑ Heise R., Muller V., Gottschalk G. Natriumberoende av acetatbildning av den acetogena bakterien Acetobacterium woodii //  J. Bacteriol. : journal. - 1989. - Vol. 171 . — S. 5473-78 .  
  10. ↑ Hugenholtz J., Ljungdahl LG Metabolism and energy generation in homoacetogenic clostridia   // FEMS Microbiol . Varv. : journal. - 1990. - Nej . 87 . - s. 383-390 .
  11. ↑ Savage MD, Wu Z., Daniel SL, Lundie LL Jr., Drake HL Kolmonoxidberoende kemolitotrofisk tillväxt av Clostridium thermoautotrophicum . (engelska)  // Appl. Environ. mikrobiol. : journal. - 1987. - Nej . 53 . - S. 1902-1906 .
  12. ↑ Wood HG, Ragsdale SW, Pezacka E. Acetyl-CoA-vägen eller autotrofisk tillväxt  //  FEMS Microbiol. Varv. : journal. - 1986. - Nej . 39 . - s. 345-362 .
  13. ↑ Ljungdahl LG Den autotrofa vägen för acetatsyntes i acetogena bakterier   // Ann . Varv. mikrobiol. : journal. - 1986. - Nej . 40 . - S. 415-450 .
  14. ↑ Shanmugasundaram T., Ragsdale SW, Wood HG Roll av kolmonoxiddehydrogenas i acetatsyntes av den acetogena bakterien Acetobacterium woodii  //  Biofactors : journal. - 1988. - Nej . 1 . — S. 147-152 .
  15. ↑ Menon S., Ragsdale SW Rollen av ett järn-svavelkluster i en enzymatisk metyleringsreaktion. Metylering av CO-dehydrogenas/acetyl-CoA-syntas av det metylerade korrinoidjärn-svavelproteinet  //  J. Biol. Chem. : journal. - 1999. - Nej . 274 . — S. 11513-11518 .
  16. ↑ Hsu T., Daniel SL, Lux MF, Drake HL Biotransformationer av karboxylerade aromatiska föreningar av acetogenet Clostridium thermoaceticum: generering av tillväxtstödjande CO2-ekvivalenter under CO2-begränsade förhållanden. (engelska)  // J. Bacteriol. : journal. - 1990. - Nej . 172 . — S. 212-217 .
  17. ↑ Matthies C., Freiberger A., ​​Drake H.L. Fumaratdissimilering och differentiellt reduktionsmedelsflöde av Clostridium formicoaceticum och Clostridium aceticum . (engelska)  // Arch. mikrobiol. : journal. - 1993. - Nej . 160 . — S. 273-278 .
  18. ↑ Andreesen JR, Gottschalk G., Schlegel HG Clostridium formicoaceticum nov. spec. isolering, beskrivning och distinktion från C. aceticum och C. thermoaceticum.  (engelska)  // Arch. mikrobiol. : journal. - 1970. - Nej . 72 . - S. 154-174 .
  19. ↑ Braun K., Gottschalk G. Effekt av molekylärt väte och koldioxid på kemo-organotrofisk tillväxt av Acetobacterium woodii och Clostridium aceticum . (engelska)  // Arch. mikrobiol. : journal. - 1981. - Nej . 128 . - S. 294-298 .
  20. ↑ O'Brien W.E., Ljungdahl L.G. Fermentering av fruktos och syntes av acetat från koldioxid av Clostridium formicoaceticum . (engelska)  // J. Bacteriol. : journal. - 1972. - Nej . 109 . - s. 626-632 .
  21. ↑ Schuchmann K., Müller V. Energetics and Application of Heterotrophy in Acetogenic Bacteria   // Applied and Environmental Microbiology : journal. - 2016. - Juli ( vol. 82 , nr 14 ). - P. 4056-4069 . - doi : 10.1128/AEM.00882-16 . — PMID 27208103 .