Метаногенез: различия между версиями
| [непроверенная версия] | [непроверенная версия] |
| Строка 189: | Строка 189: | ||
=== Ацетокластический метаногенез === |
=== Ацетокластический метаногенез === |
||
Окислять водород углекислым газом способны практически все метаногены, однако лишь два рода (''[[Methanosarcina]]'', ''[[Methanothrix]]'' (''Methanosaeta'')) могут декарбоксилировать ацетат. При этом именно они дают наибольший вклад в глобальную эмиссию метана<ref name="DepUnique"> |
Окислять водород углекислым газом способны практически все метаногены, однако лишь два рода (''[[Methanosarcina]]'', ''[[Methanothrix]]'' (''Methanosaeta'')) могут декарбоксилировать ацетат. При этом именно они дают наибольший вклад в глобальную эмиссию метана<ref name="DepUnique"> |
||
U. Deppenmeier: ''The unique biochemistry of methanogenesis''. In: ''Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology.'' Band 71, 2002. PMID 12102556, {{DOI|10.1016/S0079-6603(02)71045-3}}, S. 223–283 |
|||
</ref>. Полученный за счет них метан составляет 66% от готовой продукции метана на Земле<ref name="Fournier"> |
|||
Fournier, G. (2009): ''Horizontal gene transfer and the evolution of methanogenic pathways''. In: ''Methods Mol Biol''. 532; 163–179; PMID 19271184; {{DOI|10.1007/978-1-60327-853-9_9}}. |
|||
</ref>. Их называют ацетокластическими метаногенами. Ацетат (CH<sub>3</sub>COOH) является единственным С<sub>2</sub>-соединением, которое может быть использовано для метаногенеза. |
|||
== Осуществляющие процесс организмы == |
== Осуществляющие процесс организмы == |
||
Версия от 11:42, 7 сентября 2018
Метаногенез, биосинтез метана — процесс образования метана анаэробными археями, сопряжённый с получением ими энергии. Существует три типа метаногенеза:
- Восстановление одноуглеродных соединений с помощью молекулярного водорода или двух- и более углеродных спиртов.
- Диспропорционирование одноуглеродных соединений.
- Диспропорционирование (кажущееся декарбоксилирование) ацетата.
Энергия при этом запасается в форме натриевого или протонного трансмембранного потенциала и трансформируется АТФ-синтазами в химическую (связей в молекуле АТФ). По отношению к процессу метаногенеза иногда применяют термины карбонатное дыхание или метановое брожение. Так как в метаногенезе отсутствуют реакции субстратного фосфорилирования, характерные для процессов брожения, а протонный градиент на мембране образуется за счет иных механизмов, чем при транспорте электронов в дыхательной электрон-транспортной цепи, то эти термины не совсем корректны.
Метаногенез играет важную роль в природе, являясь основным источником метана в земной атмосфере. Используется человеком для получения биогаза.
Субстраты метаногенеза
| Реакции метаногенеза | ΔG0’ [кДж/моль CH4][1] | Организмы |
| Автотрофное образование метана | ||
| CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O | −135 | Большинство метаногенов |
| 4 HCOOH → CH4 + 3 CO2 + 2 H2O | −130 | многие гидрогенотрофные метаногены |
| CO2 + 4 C3H8O → CH4 + 4 C3H6O + 2 H2O | −37 | некоторые гидрогенотрофные метаногены |
| 4 CO + 2 H2O → CH4 + 3 CO2 | −196 | Methanothermobacter und Methanosarcina |
| Метилотрофный вариант (из соединений, содержащих С1-группу) | ||
| 4 CH3OH → 3 CH4 + CO2 + 2 H2O | −105 | Methanosarcina и другие метилотрофные метаногены |
| CH3OH + H2 → CH4 + H2O | −113 | Methanomicrococcus blatticola и Methanosphaera stadtmanae |
| 4(СH3)SH + 2H2O → 3CH4 + CO2 + 4H2S | ||
| 2 (CH3)2S + 2 H2O → 3 CH4 + CO2 + 2 H2S | −49 | некоторые метилотрофные метаногены |
| 4 CH3NH2 + 2 H2O → 3 CH4 + CO2 + 4 NH3 | −75 | некоторые метилотрофные метаногены |
| 2 (CH3)2NH + 2 H2O → 3 CH4 + CO2 + 2 NH3 | −73 | некоторые метилотрофные метаногены |
| 4 (CH3)3N + 6 H2O → 9 CH4 + 3 CO2 + 4 NH3 | −74 | некоторые метилотрофные метаногены |
| (CH3)4NOH + H2O → 3CH4 + CO2 + NH3 | ||
| 4 CH3NH3Cl + 2 H2O → 3 CH4 + CO2 + 4 NH4Cl | −74 | некоторые метилотрофные метаногены |
| с N-метилированными аминами, имеющими С2-боковую цепь | ||
| 4 (CH3)3N+CH2CH2OH + 6 H2O → 4 H2NCH2CH2OH + 9 CH4 + 3 CO2 + 4 H+ | −63[2] | некоторые Methanosarcina |
| 2 (CH3)2NCH2CH2OH + 2 H2O → 2 H2NCH2CH2OH + 3 CH4 + 3 CO2 | −47[2] | некоторые Methanosarcina |
| 4 (CH3)3N+CH2COO− + 2 H2O → 4 (CH3)2NH+CH2COO− + 3 CH4 + CO2 | −240[3] | некоторые Methanosarcina |
| Ацетокластический метаногенез | ||
| CH3COOH → CH4 + CO2 | −33 | Methanosarcina и Methanosaeta |
Биохимия процесса
В процессе метаногенеза принимают участие специфические коферменты: метанофуран, тетрагидрометаноптерин (H4МП), коферменты F420 и F430, кофермент M, кофермент B. H4МП и метанофуран найдены у метилотрофных бактерий, H4МП, F420 и кофермент B имеют сходство с коферментами, найденными у бактерий и эукариот, F430 и кофермент M не имеют аналогов у других организмов.
Автотрофное образование метана
Наиболее хорошо изучен процесс восстановления углекислого газа до метана.
- CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O
Большинство метаногенов используют в качестве восстановителья водород[1]. Такие метаногены называются водородокисляющими или гидрогенотрофными. Облигатные гидрогенотрофы включают Methanopyrales, Methanobacteriales, Methanococcales и Methanomicrobiales. Исключением среди Methanomicrobiales является Methanosphaera stadtmanae, обитающий в пищеварительном тракте человека. В качестве субстратов метаногенеза он использует метанол и водород, поскольку не может использовать CO2[4].
Автотрофные метаногены в отличие от Methanosarcinales не имеют метанофеназина, и растут на только на смеси H2 + CO2 или муравьиной кислоте и не могут использовать метилированные соединения или ацетат. При этом им для роста достаточно, чтобы парциального давление H2 составляло менее 10 Па для проведения метаногенеза. Период удвоения клеток у них составляет менее часа. Среди метаногенов без цитохромов много гипертермофильных видов.
На первой стадии одноуглеродный остаток присоединяется к тетрагидрометаноптерину, после чего дегидратируется и восстанавливается до уровня формальдегида либо молекулярным водородом, либо при участии F420. После этого происходит ещё одно восстановление и полученная метильная группа переносится на кофермент M, при помощи мембранного белка метилтетрагидрометаноптерин:кофермент М-метилтрансферазы (EC 2.1.1.86). Метилтрансфераза представляет мембранно-связанный белок. Перенос метильной группы от метил-H4МП на кофермент М представляет собой экзергоническую реакцию (ΔG0'= -29 кДж/моль)[5]). Метаногены используют выделенную энергию для экспорта из клетки примерно двух ионов натрия. В результате образуется мембранный градиент ионов натрия, используемый для синтеза АТФ.
Метил-S-CoM восстанавливается коферментом B до метана при участии метил-CoM-редуктазы с образованием метана, а также гетеродисульфида коферментов B и M. Это ключевая реакция синтеза метана. Метил-CoM-редуктаза содержит кофактор F430. Все перечисленные реакции необратимы.
Автотрофные метаногены, в отличие от других метаногенов не имеют ни метанофеназина не мембранно-связаной гетеродисульфидредуктазы[6]. Для восстановления гетеродисульфида они используют цитоплазматическую гетеродисульфид-редуктазу, которая, за счет энергии реакции окисления водорода, также восстанавливает еще ферредоксин по механизму бифуркации электронов. Функционирование цитоплазматического фермента не связана с созданием протон-движущей силы. Поэтому метаногены не содержащие цитохромов могут использовать только натриевый градиент, созданный метилтрансферазой. Автотрофные метаногены требуют обязательного присутствия ионов натрия для роста, так как этот катион используется в механизме запасания энергии.
| Номер
реакции |
Фермент | Шифр КФ | Катализируемая реакция |
|---|---|---|---|
| 1 | формилметанофуран:ферредоксин оксидоредуктаза | 1.2.7.12 | СО2 + 2Фдвосст. + метанофуран = формилметанофуран + Н2О + 2 Фдокисл. |
| 2 | формилметанофуран:тетрагидрометаноптерин формилтрансфераза | 2.3.1.101 | формилметанофуран + H4МП = формил-H4МП + метанофуран |
| 3 | метенил-тетрагидрометаноптерин циклогидролаза | 3.5.4.27 | формил-H4МП = метенил-H4МП + H2O |
| 4 | метилен-тетрагидрометаноптерин дегидрогеназа | 1.12.98.2 | метенил-H4МП + H2 = H+ + метилен-H4МП |
| 5 | F420-зависимая метилен-тетрагидрометаноптерин редуктаза | 1.5.98.2 | метилен-H4МП + F420H2 = метил-H4МП + F420 |
| 6 | метил-тетрагидрометаноптерин: кофермент М метилтрансфераза | 2.1.1.86 | метил-H4МП + HSCoM + Na+внутр = H4МП + метил-SСоМ + Na+внешн. |
| 7 | метил-кофермент М редуктаза | 2.8.4.1 | метил-SСоМ + HSСоВ = CoM-S-S-CoB + CH4 |
| 8 | цитоплазматическая H2: СоВ-СоМ гетеродисульфид, ферредоксин редуктаза (H2-зависимая) | 1.8.98.5 | 2H2 + CoM-S-S-CoB + 2Фдвосст. = 2H+ + HSCoM + HSCoB + 2 Фдокисл. |
Метилотрофный метаногенез
Метаногены порядка Methanosarcinales содержат цитохромы и метанофеназин, в отличие, от других порядков метанногенных бактерий. Он является универсальным переносчиком электронов в мембране этих метаногенов и заменяет там хинон, который необходим в других организмах для переноса электронов в дыхательной цепи. Многие метаносарцины растут на ацетате и метилированных соединениях. Также они могут использовать смесь H2 + CO2, но в отличие от автотрофных метаногенов парциальное давление водорода должно быть выше 10 Па. Метаногены с цитохромами растут медленно, скорость их деления составляет более 10 часов на одно клеточное деление. До сих пор не было обнаружено никаких представителей метаногенов с цитохромами, которые растут в гипертермофильных условиях. Это связано с нестабильностью цитохромов при высоких температурах.
Помимо натриевого градиента создаваемого метилтрансферазой, энергия в метилотрофных метаногенах также запасается при восстановлении гетеродисульфида мембранным ферментативным комплексом гидрогеназы и гидродисульфид-редуктазы. У видов Methanosarcina гетеродисульфидредуктаза состоит из двух субъединиц (HdrDE)[7]. Электроны, необходимые для восстановления гетеродисульфида берутся от водорода при его окислении мембранной гидрогеназе Vho, которая содержит, среди прочего, гем b, в качестве простетической группы. Во время реакции протоны транспортируются из клетки наружу. То есть этот комплекс служит протонной помпой. Гидрогеназный комплекс был обнаружен в Methanosarcina barkeri, обитающей в пресной воде. Methanosarcina acetivorans, архея обитающая в соленой воде, окисляет вместо водорода восстановленный ферредоксин в аналогичном мембранном комплексе (Rnf), содержащим цитохром c в качестве простетической группы.
Таким образом метаногенами создается как протонный градиент, так и градиент ионов натрия (ΔµH+, ΔµNa+)[5]. Метаногены являются единственными организмами, которые параллельно создают эти два градиента.
Ацетокластический метаногенез
Окислять водород углекислым газом способны практически все метаногены, однако лишь два рода (Methanosarcina, Methanothrix (Methanosaeta)) могут декарбоксилировать ацетат. При этом именно они дают наибольший вклад в глобальную эмиссию метана[8]. Полученный за счет них метан составляет 66% от готовой продукции метана на Земле[9]. Их называют ацетокластическими метаногенами. Ацетат (CH3COOH) является единственным С2-соединением, которое может быть использовано для метаногенеза.
Осуществляющие процесс организмы
Способностью образовывать метан обладают около 50 видов из 17 родов, все из которых относятся к археям. Традиционно их рассматривают как группу метанобразующих бактерий, однако, филогенетически она весьма неоднородна. В IX определителе бактерий Берджи выделено три порядка метаногенов: Methanobacteriales, Methanococcales и Methanomicrobiales.
Все метаногены — строгие анаэробы, рост некоторых из них полностью подавляется при появлении в газовой фазе 0,004% кислорода, первые выделенные в чистые культуры виды росли при окислительно-восстановительном потенциале среды менее -300 мВ. Большинство из них мезофилы и имеют оптимум роста в области 30-40°С, все имеют оптимум pH при 6,5-7,5, есть галофилы.
Около половины видов автотрофны и фиксируют углекислый газ по ацетил-КоА-пути, ряд из них способен к азотфиксации (Methanosarcina barkeri, Methanobacterium formicium). Сера усваивается чаще всего в восстановленной форме, возможно вовлечение в метаболизм молекулярной серы, сульфит-аниона. Лишь несколько видов (Methanobrevibacter ruminantium, Methanococcus thermolithrophicum) могут использовать сульфат-анион.
Экологическое значение
Метаногены завершают анаэробную деструкцию вещества, используя молекулярный водород, углекислый и угарный газы, а также низшие органические кислоты, выделяющиеся при процессах брожения. Более 20% мировых запасов метана имеют биогенное происхождение.
См. также
Литература
- Гусев М. В., Минеева Л. А. Микробиология. — М: Изд-во Московского университета, 2004. — 448 с.
- Современная микробиология. Прокариоты: В 2-х томах. Пер. с англ./Под ред. Й. Ленглера, Г. Древса, Г. Шлегеля. — М.: Мир, 2005. ISBN 5-03-003706-3 ISBN 5-03-003707-1 (1 том) ISBN 5-03-003708-X (2 том)
.svg){kind=small} | Это заготовка статьи по биохимии. Помогите Википедии, дополнив её. |
- ↑ 1 2 Y. Liu, W. B. Whitman: Metabolic, phylogenetic, and ecological diversity of the methanogenic archaea. In: Annals of the New York Academy of Sciences. Band 1125, 2008. PMID 18378594, doi:10.1196/annals.1419.019, S. 171–189.
- ↑ 1 2 Watkins, AJ. et al. (2012): Choline and N,N-dimethylethanolamine as direct substrates for methanogens. In: Appl Environ Microbiol. 78(23); 8298–8303; PMID 23001649; doi:10.1128/AEM.01941-12; PDF
- ↑ Watkins, AJ. et al. (2014): Glycine betaine as a direct substrate for methanogens (Methanococcoides spp.). In: Appl Environ Microbiol. 80(1); 289–293; PMID 24162571; doi:10.1128/AEM.03076-13; PDF.
- ↑ Fricke, WF. et al. (2006): The genome sequence of Methanosphaera stadtmanae reveals why this human intestinal archaeon is restricted to methanol and H2 for methane formation and ATP synthesis. In: J Bacteriol. 188(2); 642–658; PMID 16385054; PMC 1347301.
- ↑ 1 2 U. Deppenmeier, V. Müller: Life close to the thermodynamic limit: how methanogenic archaea conserve energy. In: Results and Problems in Cell Differentiation. Band 45, 2008. PMID 17713742, doi:10.1007/400_2006_026, S. 123–152.
- ↑ Rudolf K. Thauer, Anne Kristin Kaster, Meike Goenrich, Michael Schick, Takeshi Hiromoto, Seigo Shima: Hydrogenases from methanogenic archaea, nickel, a novel cofactor, and H2 storage. In: Annual Review of Biochemistry. Bd. 79, 2010, S. 507–536, PMID 20235826, doi:10.1146/annurev.biochem.030508.152103.
- ↑ Ferry, JG. (2010): How to make a living by exhaling methane. In: Annu Rev Microbiol. 64; 453–473; PMID 20528692; doi:10.1146/annurev.micro.112408.134051
- ↑ U. Deppenmeier: The unique biochemistry of methanogenesis. In: Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology. Band 71, 2002. PMID 12102556, doi:10.1016/S0079-6603(02)71045-3, S. 223–283
- ↑ Fournier, G. (2009): Horizontal gene transfer and the evolution of methanogenic pathways. In: Methods Mol Biol. 532; 163–179; PMID 19271184; doi:10.1007/978-1-60327-853-9_9.