Использование микроорганизмами одноуглеродных соединений Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В. Микроорганизмы способны использовать в качестве источника углерода и энергии одноуглеродные, или С1-соединения. К таким веществам относятся метан (СН4), метанол (СН3ОН), формальдегид (НСОН), формиат (НСООН), метиламин (СН3NH2), хлорметан (СH3Cl), цианид калия (KCN) и др. В большинстве этих соединений углерод представлен в виде метильной группы, поэтому микроорганизмы, использующие их, и получили название метилотрофов. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В. Метилотрофные микроорганизмы распространены повсеместно, это связано с тем, что практически везде в природе имеются С1соединения. Например, ежегодно в атмосферу поступает 1015 г метана (из болот, прудов, органического ила, промыш-ленных отходов, недр земли, из желудков жвачных животных и др.). Однако в атмосфере он не накапливается, его используют метанокисляющие бактерии. Метан, кроме того, подвергается фотоокислению с образованием метанола. В природе обнаруживаются также формальдегид, формиат, формамид, цианиды и их соли, СО, метиламины, что также определяет места распространения метилотрофов. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В. По способности использовать С1 и другие углеродные соединения метилотрофные бактерии делятся на две основные группы: облигатные и факультативные. Облигатные метилотрофы способны расти только на одноуглеродных субстратах. Группа факультативных метилотрофов включает бактерии, которые наряду с одноуглеродными могут использовать и некоторые полиуглеродные соединения. Облигатные метилотрофные бактерии входят в состав родов: Methylococcus, Methylomonas, Methylosinus, Methylocystis, Methylobacillus, Methylophilus, Methylophaga, Мethylovorus и Methylobacterium. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В. Это в основном грамотрицательные эубактерии с разной морфологией и размерами клеток, подвижные и неподвижные. Облигатные аэробы. Тип метаболизма – дыхательный. Каталазо- и оксидазоположительные. При росте на метаноле имеют сложную систему внутрицитоплазматических мембран двух типов: мембраны первого типа представлены стопками плотно упакованных везикулярных дисков, распределенных во всей цитоплазме; мембраны второго типа имеют вид ламелл, расположенных по периферии клетки. Отличительные признаки облигатных метилотрофных бактерий приведены в таблице. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В. Роды Признаки Methylococcus Methylomonas Упаковка Первый тип внутрицитоплазмати ческих мембран Цикл трикарбоновых Неполный (не кислот содержат α-кетоглутаратдегидрогеназы) Покоящиеся формы Цисты Основной путь Рибулозомонофосассимиляции С1-сое- фатный путь динений Длина углеродной 16 углеродных цепи жирных кислот остатков Methylosinus Methylocystis Второй тип Полный Экзоспоры Сериновый путь Methylovorus Methylobacillus Methylophilus Methylophaga Methylobacterium Первый тип Неполный (не содержат α-кетоглутаратдегидрогеназы) Не имеют Восстановительный пентозофосфатный путь (цикл Кальвина) 18 углеродных 16 углеродных остатков остатков Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В. К факультативным метилотрофам относятся некоторые представители родов Pseudomonas, Arthrobacter, Mycobacterium, Bacillus, Acetobacter, Achromobacter, Nocardia, Hyphomicrobium, Brevibacterium и др. Это различные по морфологии, окраске по Граму, подвижные или неподвижные бактерии, единственным общим признаком которых является способность расти на С1-соединениях. Использование метилотрофами С1-соединений в конструктивном и энергетическим метаболизме привело к формированию у них специфических путей их ассимиляции и окисления. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В. Процесс полного окисления метана Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В. Ф1 – метанмонооксигеназа; Ф2 – метанолдегидрогеназа; Ф3 – формальдегиддегидрогеназа; Ф4 – формиатдегидрогеназа. Ассимиляционные циклы: 1 – рибулозомонофосфатный, 2 – сериновый, 3 – восстановительный пентозофосфатный Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В. В окислительном метаболизме С1-соединений у метилотрофов участвуют следующие переносчики дыхательной цепи: флавопротеины, хиноны, цитохромы типа a, b, c, o. Количество энергии, выделяющейся при окислении С1-соединений соответствующими дегидрогеназами, определяется местом поступления электронов в дыхательную цепь. При окислении метанола в формальдегид метанолдегидрогеназой электроны поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с. Это приводит к синтезу одной молекулы АТФ. На какие переносчики дыхательной цепи передаются электроны от формальдегида и формиата пока неизвестно. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В. Как уже отмечалось, у метилотрофов функционируют три циклических пути ассимиляции С1-соединений, ответственных за превращение их в вещества клетки: восстановительный пентозофосфатный, рибулозомонофосфатный и сериновый. Восстановительный пентозофосфатный цикл (цикл Кальвина) у метилотрофных бактерий не имеет широкого распространения и обнаружен только у представителей, способных расти автотрофно, а также у использующих формиат. В этом цикле происходит ассимиляция СО2, полученного при окислении С1-соединений. В рибулозомонофосфатном (гексулозофосфатном) и сериновом циклах осуществляется непосредственное включение формальдегида, образующегося при окислении разных С1соединений. Эти циклические пути ассимиляции формальдегида названы по первому продукту, который синтезируется в них. Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В. Рибулозомонофосфатный цикл ассимиляции формальдегида метилотрофами Ф1 – гексулозофосфатсинтаза; Ф2 – фосфогексулозоизомераза; Ф3 – фосфофруктокиназа; Ф4 – фруктозодифосфатальдолаза; прерывистой линией обозначены реакции регенерации рибулозо-5-фосфата Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В. Сериновый цикл ассимиляции формальдегида метилотрофами Ф1 – серингидроксиметилаза; Ф2 – трансаминаза, превращающая серин в гидроксипируват и глиоксилат в глицин; Ф3 – гидроксипируватредуктаза; Ф4 – глицераткиназа; Ф5 – фосфоглицераткиназа и енолаза; Ф6 – ФЕП-карбоксилаза; Ф7 – малатдегидрогеназа; Ф8 – малил-КоА-синтаза; Ф9 – малил-КоА-лиаза Лекции по курсу «Физиология микроорганизмов». Лектор доцент Лысак В.В.