Információ

5.10G: benzoát katabolizmus – biológia

5.10G: benzoát katabolizmus – biológia


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

A Rhodobacter sphaeroides sokféle szerves vegyületből (főleg szerves savakból) és fényből képes hidrogént előállítani.

Tanulási célok

  • Sorolja fel a Rhodococcus funkcióját a tudományos közösségben!

Főbb pontok

  • Vízhasadás hiányában a fotoszintézis anoxigén jellegű. Ezért a hidrogéntermelés a keletkező oxigén gátlása nélkül fennmarad.
  • A Rhodococcus törzsek különösen fontosak a vegyületek széles körének katabolizálására és bioaktív szteroidok, akrilamid és akrilsav előállítására, valamint a fosszilis tüzelőanyagok biológiai kéntelenítésében való részvételük miatt.
  • A Rhodococcus használata azon a képességén alapul, hogy képes metabolizálni a káros környezeti szennyező anyagokat, mint például a toluol, naftalin, gyomirtó szerek és PCB-k.

Kulcsfontossagu kifejezesek

  • katabolizmus: Pusztító anyagcsere, általában energiafelszabadulást és anyagok lebontását foglalja magában.
  • Rhodococcus: aerob, nem sporuláló, nem mozgó Gram-pozitív baktériumok nemzetsége, amely közeli rokonságban áll a Mycobacterium és Corynebacteria baktériumokkal.
  • benzoát: A benzoesav bármely sója vagy észtere.

A benzoát katabolizmusa kémiai reakciók sorozata, amelyek a benzoát lebomlását eredményezik. A lila, nem kén (PNS) baktériumok, a Rhodobacter sphaeroides számos szerves vegyületből (főleg szerves savakból) és fényből képesek hidrogént előállítani. A Rhodobacter (PS-I) hidrogéntermeléséhez szükséges fotorendszer a szerves savak igénye és a víz oxidálására való képtelenség miatt különbözik az oxigénes fotorendszerétől (PS-II). Vízhasadás hiányában a fotoszintézis anoxigén jellegű. Ezért a hidrogéntermelés a keletkező oxigén gátlása nélkül fennmarad. A PNS-baktériumokban a hidrogéntermelés a nitrogenáz általi katalízisnek köszönhető. Hidrogenázok is jelen vannak, de a [FeFe]-hidrogenáz által termelt hidrogén kevesebb, mint tízszerese a [NiFe]-hidrogenáz általi hidrogénfelvételnek. Csak nitrogénhiányos körülmények között elegendő a nitrogenáz aktivitás a hidrogenáz felvételi aktivitás leküzdéséhez, ami nettó hidrogéntermelést eredményez.

A Rhodococcus az aerob, nem spórázó, nem mozgó Gram-pozitív baktériumok nemzetsége, amely közeli rokonságban áll a Mycobacterium és Corynebacteria baktériumokkal. Míg néhány faj patogén, a legtöbb jóindulatú, és azt találták, hogy sokféle környezetben virágzik, beleértve a talajt, a vizet és az eukarióta sejteket. A 2006 októberében teljesen szekvenált genomról ismert, hogy 9,7 megabázispár hosszú és 67% G/C. A Rhodococcus törzsek különösen fontosak a vegyületek széles körének katabolizálására és bioaktív szteroidok, akrilamid és akrilsav előállítására, valamint a fosszilis tüzelőanyagok biológiai kéntelenítésében való részvételük miatt. Ez a genetikai és katabolikus sokféleség nemcsak a nagy bakteriális kromoszómának köszönhető, hanem három nagy lineáris plazmidnak is. A Rhodococcus kísérletileg is előnyös rendszer, viszonylag gyors növekedési üteme és egyszerű fejlődési ciklusa miatt. A jelenlegi állás szerint azonban a Rhodococcus nem jól jellemezhető. A Rhodococcus másik fontos alkalmazása a biokonverzióból származik, amelynek során biológiai rendszerek segítségével az olcsó kiindulási anyagokat értékesebb vegyületekké alakítják. A Rhodococcus ezen felhasználása azon a képességén alapul, hogy képes metabolizálni a káros környezeti szennyezőket, mint például a toluol, naftalin, gyomirtó szerek és PCB-k. A rodococcusok általában úgy metabolizálják az aromás szubsztrátokat, hogy először az aromás gyűrűt oxigenizálják, és így diolt képeznek (két alkoholcsoport). Ezután a gyűrűt intra/extradiol mechanizmusokkal hasítják, kinyitják a gyűrűt, és a szubsztrátot további metabolizmusnak teszik ki. Mivel itt a kémia nagyon sztereospecifikus, a diolok kiszámítható kiralitással jönnek létre. Míg a kémiai reakciók kiralitásának szabályozása jelentős kihívást jelent a szintetikus kémikusok számára, ehelyett biológiai folyamatokat lehet alkalmazni a királis molekulák hűséges előállítására olyan esetekben, amikor a közvetlen kémiai szintézis nem kivitelezhető vagy nem hatékony. Példa erre a Rhodococcus felhasználása indén előállítására, amely a Crixivan AIDS-gyógyszer előfutára.TMproteáz inhibitor, és a komplexben szükséges öt királis centrum közül kettőt tartalmaz.


A benzoát közvetíti az anaerob 4-metil-benzoát és a szukcinát egyidejű visszaszorítását Magnetospirillum sp. pMbN1 törzs

A szerves szubsztrátok magas koncentrációinál az előnyben részesített szubsztrátok mikrobiális hasznosítása (azaz a gyors növekedés támogatása) gyakran diauxikus növekedést eredményez, hierarchikus szubsztrát-kimerüléssel. Ellentétben a szénhidrátok szénkatabolit repressziója által közvetített diszkriminatív felhasználásával, a nem szénhidrátot hasznosító baktériumok szubsztrát preferenciáit a környezet szempontjából releváns vegyületosztályok (például alifás vagy aromás savak) tekintetében ritkán vizsgálják. A denitrifikáló alfaproteobaktérium Magnetospirillum sp. A pMbN1 törzs anaerob módon lebontja számos alifás és aromás vegyületet, és egyedülálló a 4-metil-benzoát anaerob lebontásában. Ez utóbbi a központi anaerob benzoil-CoA-úttal analóg reakciósorozaton keresztül megy végbe a központi anyagcsere közbenső termékeihez. Figyelembe véve e két különböző anaerob ȁkaromás gyűrűt lebontó” útvonal jelenlétét, a szubsztrát preferenciák Magnetospirillum sp. pMbN1 törzset vizsgáltuk. Az anaerob növekedést és a szubsztrátfogyasztást 4-metil-benzoát, benzoát és szukcinát bináris és terner keverékeiben követték nyomon, a kiválasztott transzkriptumok és/vagy fehérjék időbeli felbontású bőségprofiljával összefüggésben a szubsztrátfelvétellel és a katabolizmussal kapcsolatban.

Eredmények

A benzoát előnyben részesített diauxikus növekedést figyelték meg a 4-metil-benzoátot és szukcinátot tartalmazó bináris és terner szubsztrátumkeverékeknél (annak ellenére, hogy a Magnetospirillum sp. pMbN1 törzset az utóbbi két szubsztrát egyikére). Ezzel szemben a 4-metil-benzoátot és a szukcinátot egyidejűleg használták bináris keverékből, valamint a benzoát kivonása után a háromkomponensű keverékből. Nyilvánvalóan a 4-metil-benzoát és a szukcinát hármas szubsztrátumkeverékből való egyidejű visszaszorítása (i) a 4-metil-benzoát felvétel gátlásából és (ii) a szukcinát felvétel együttes gátlásából (a két transzporteren keresztül, a DctPQM és a DctA) és a szukcinát átalakulásából ered. acetil-CoA (piruvát-dehidrogenázon keresztül). A benzoát által közvetített elnyomás a C4- dikarboxilát hasznosítás Magnetospirillum sp. pMbN1 törzs eltér a “ esetében nemrégiben leírtaktólAromatoleum aromaticum” EbN1 (csak a DctPQM-et érinti).

Következtetések

A benzoát és más aromás savak előnyben részesített vagy egyidejű alkalmazása alifás savakkal alkotott keverékekből az (anaerob) degradáció specialistái körében gyakoribb táplálkozási magatartást jelenthet, mint azt korábban gondolták. Előnyben részesítése Magnetospirillum sp. a benzoát pMbN1 törzse 4-metil-benzoát keverékéből, és így a benzoil-CoA (első) és 4-metilbenzoil-CoA (második) útvonal időbeli szétválása tükrözheti az anyagcsere-hatékonyság és az aromás szubsztrátok lényegesen szélesebb köre felé történő katabolikus hangolást. bejutva a központi anaerob benzoil-CoA útvonalba.

Elektronikus kiegészítő anyag

A cikk online változata (doi:10.1186/s12866-014-0269-4) kiegészítő anyagokat tartalmaz, amelyek a jogosult felhasználók rendelkezésére állnak.


A Zygosaccharomyces bailii élelmiszer-romlást okozó élesztőből származó ZbYME2 gén nem csak az YME2 funkcióit biztosítja a Saccharomyces cerevisiae-ben, hanem a szorbát és a benzoát, a két fő gyenge szerves sav tartósítószer katabolizmusának képességét is.

Az élelmiszer-romlást okozó mikrobák szorbáttal és benzoáttal szembeni rezisztenciáját befolyásoló tényező az, hogy ezek a szervezetek képesek-e katalizálni ezeknek a tartósítószereknek a lebomlását. Számos gomba metabolizálja a benzoesavat a béta-ketoadipát útvonalon, ami magában foglalja a benzoát 4-hidroxi-benzoáttá történő hidroxilezését. A Saccharomyces cerevisiae nem tudja a benzoátot egyedüli szénforrásként használni, nyilvánvalóan a benzoát-4-hidroxiláz aktivitás hiánya miatt. Azonban a Zygosaccharomyces bailii élelmiszer-romlást okozó élesztő egyetlen génje, amely heterológ módon expresszálódik S. cerevisiae sejtekben, lehetővé teszi az utóbbi növekedését benzoáton, szorbáton és fenilalaninon. Bár ez a ZbYME2 gén nélkülözhetetlen a Z. bailii benzoát hasznosításához, ZbYme2p terméke csekély homológiát mutat más, eddig vizsgált gombás benzoát-4-hidroxilázokkal, amelyek mindegyike mikroszomális citokróm P450-nek tűnik. Ehelyett a ZbYme2p erősen hasonlít a S. cerevisiae mitokondriális Yme2p/Rna12p/Prp12p fehérje mátrix doménjéhez, és ha funkcionális fúzióként fejeződik ki a zöld fluoreszcens fehérjével a benzoáton növekvő S. cerevisiae-ben, akkor nagyrészt a mitokondriumokban lokalizálódik. A S. cerevisiae-ből származó natív Yme2p elvesztésével kapcsolatos fenotípusok, amelyek többnyire az yme1,yme2 sejtekben jelentkeznek, az endogén oxidatív stressz fokozott káros hatásaihoz kapcsolódhatnak. A ZbYME2 heterológ expressziója kiegészíti ezeket a fenotípusokat, ugyanakkor potenciálisan gyenge savas konzerválószer-katabolizmust eredményez, amelyet a natív S. cerevisiae Yme2p nem képes biztosítani. A ZbYME2-t expresszáló S. cerevisiae benzoát hasznosításához funkcionális mitokondriális légzőláncra van szükség, de nem a mitokondrium natív Yme1p-re és Yme2p-re.


Az Acinetobacter calcoaceticus gének klónozása és expressziója Escherichia coliban a benzoát lebontásához.

A benzoát katekollá történő átalakításához szükséges katabolikus géneket Acinetobacter calcoaceticusból Escherichia coliba klónozták. A klónozott gének, a benABCD, egyaránt kódoltak egy benzoát 1,2-dioxigenáz rendszert, amely NADH-citokróm c reduktázból és terminális oxigenáz komponensekből áll, valamint egy cisz-diol-dehidrogenázt. Úgy tűnik, hogy a dioxigenáz rendszert három gén, a benABC kódolja, amelynek termékei, az 53, 19 és 38 kilodalton fehérjék méretei megegyeznek más bakteriális dioxigenázok komponenseinek méretével. A klónozott dioxigenáz rendszer magas szinten expresszálódik E. coliban, lehetővé téve a benzoát cisz-diollá, 2-hidro-1,2-dihidroxi-benzoáttá történő átalakulását, a teljesen indukált A. calcoaceticus tenyészetekhez hasonló sebességgel. Egy cisz-diol-dehidrogenáz, az A. calcoaceticus benD gén terméke, ha jelen van az E. coliban, lehetővé teszi ennek a szervezetnek, hogy a cisz-diol intermediert katekollá alakítsa. A dehidrogenáz részlegesen tisztított, és két azonos, 31 kilodaltonos alegységből álló dimer. A ben gének az A. calcoaceticus kromoszómán csoportosulnak a katechol disszimilációjához szükséges, egymástól függetlenül szabályozott génekkel. A kromoszóma egy 16 kilobázispárból álló régiójában 10 gén található a benzoát katabolizmushoz, nem kevesebb, mint három transzkripciós egységben. Ezt a fajta elrendeződést, amelyet szupraoperonikus klaszterezésnek neveznek, korábban megfigyelték a pszeudomonádokban.


A benzoát közvetíti a C(4)-dikarboxilát felhasználás visszaszorítását az "Aromatoleum aromaticum" EbN1-ben

Diauxikus növekedést figyeltek meg az "Aromatoleum aromaticum" EbN1 anaerob C(4)-dikarboxiláthoz adaptált sejtjeiben a C(4)-dikarboxilát (szukcinát, fumarát vagy malát) és benzoát szubsztrát keverékéből származó előnyös benzoát felhasználás miatt. A differenciális fehérjeprofilok (kétdimenziós differenciális gélelektroforézis [2D DIGE]) dinamikus változásokat mutattak ki az abundanciában az anaerob benzoát-katabolizmusban és a C(4)-dikarboxilát-felvételben részt vevő fehérjék esetében. Az első aktív növekedési fázisban a benzoát felhasználása párhuzamos volt az anaerob benzoát lebontásban részt vevő fehérjék maximális mennyiségével (pl. benzoil-koenzim A [CoA] reduktáz) és a DctP (EbA4158) minimális mennyiségével, amely egy előre jelzett C periplazmatikus kötőfehérje. (4)-dikarboxilát háromrészes ATP-független periplazmatikus (TRAP) transzporter (DctPQM). Ennek ellenkezőjét figyelték meg a szukcinát későbbi felhasználása során a második aktív növekedési fázisban. A benzoát depléciót követő megnövekedett dctP (illetve dctPQM) transzkriptum és DctP fehérje bősége arra utal, hogy a C(4)-dikarboxilát felvétel visszaszorítása a megfigyelt diauxie fő meghatározója.

Ábrák

Anaerob növekedése „A. aromaticum”…

Anaerob növekedése „A. aromaticum” EbN1 szukcinát vagy acetát plusz keverékével…

Proteomikai válasz „A. aromaticum”…

Proteomikai válasz „A. aromaticum” EbN1 anaerob diauxikus növekedés során szukcinát plusz…

A benzoil-CoA reduktáz (Bcr) aktivitása…

A benzoil-CoA reduktáz (Bcr) aktivitása anaerob módon növesztett „A. aromaticum” EbN1 a…

A DctPQM C 4 -dikarboxilát…

A DctPQM C 4 -dikarboxilát TRAP transzporter az „A. aromaticum” EbN1. (A) Gén…

Változata dctP ( ebA4158…

Változata dctP ( ebA4158 ) transzkriptum bősége a…


Pirén és benzoát hasznosítása Mycobacterium izolált KMS-t a katabolikus elnyomás eltérően szabályozza

A talaj izolátum, Mycobacterium sp. A KMS törzs számos szénvegyületet használ, beleértve az aromás benzoátot és a pirént egyedüli szénforrásként. A pirén növekedése kromoszómálisan és plazmidon egyaránt indukált nidA piréngyűrűt hidroxiláló dioxigenáz α-alegységeket kódoló gének a pirén oxidációjához. Diauxikus növekedés akkor következett be, amikor a KMS-t pirénnel, valamint acetáttal, szukcináttal, fruktózzal vagy benzoáttal tenyésztették. nidA expressziót csak a második lassabb log-fázisban észleltünk. Potenciális cAMP-CRP kötőhelyek mindkettő promoter régiójában találhatók nidA gének arra utalnak, hogy a cAMP-CRP részt vehet a pirénhasznosítás katabolit-elnyomásában. Ha benzoáttal, valamint acetáttal, szukcináttal vagy fruktózzal tenyésztettük, nem volt diauxikus növekedés. A fruktóz plusz szukcinát vagy acetát esetében sem volt diauxikus növekedés. Kifejezése a benA A benzoát-oxidáció megindításában szerepet játszó benzoát-dioxigenáz α-alegységet kódoló gént a benzoáttal kevert szubsztráttenyészetekből származó log-fázisú sejtekben ugyanolyan szinten mutatták ki, mint amikor a sejteket csak benzoáton tenyésztették. Ezek az eredmények azt sugallják, hogy a pirén katabolitos elnyomása, de nem a benzoát esetében fordult elő a KMS izolátumban. Ezek a különbségek segíthetik a mikrobát a talajban és a rizoszférában elérhető változatos szénforrások kiaknázásában.

További támogató információk a cikk online változatában találhatók a kiadó webhelyén

Fájl név Leírás
jobm201100480-sup-0001-Figs.doc2,8 MB Kiegészítő adatok

Kérjük, vegye figyelembe: A kiadó nem vállal felelősséget a szerzők által biztosított támogató információk tartalmáért vagy működéséért. Minden kérdéssel (a hiányzó tartalom kivételével) a cikk megfelelő szerzőjéhez kell fordulni.


Anammox

Az Anammox, az ANaerob Ammónium OXidáció rövidítése, a nitrogénciklus globálisan jelentős mikrobiális folyamata.

Tanulási célok

Ismertesse az anaerob ammónium-oxidáció (Anammox) általános folyamatát és célját

Kulcs elvitelek

Főbb pontok

  • A folyamatot közvetítő baktériumokat 1999-ben azonosították, és akkoriban nagy meglepetést okoztak a tudományos közösség számára.
  • Az anyagcsere ezen formája a Planctomycetes (pl. Candidatus Brocadia anammoxidans) tagjaiban fordul elő, és magában foglalja az ammónia oxidációjának és a nitritredukciónak a kapcsolását.
  • A hidrazin magas toxicitásának leküzdésére az anammox baktériumok hidrazintartalmú intracelluláris organellát tartalmaznak, az úgynevezett anammoxaszómát, amelyet rendkívül tömör ladderán lipidmembrán vesz körül. Ezek a lipidek természetükben egyedülállóak, akárcsak a hidrazin anyagcsere közbenső termékként való alkalmazása.

Kulcsfontossagu kifejezesek

  • Anammox: Az ANaerob AMMónium OXidáció rövidítése, amely a nitrogénciklus globálisan jelentős mikrobiális folyamata.
  • anaerobok: Olyan élőlények, amelyek növekedéséhez nincs szükség oxigénre.
  • ladderane: A policiklusos szénhidrogének bármely osztálya, amely ismétlődő ciklobutánrészekből áll, és amelyek létrákhoz hasonlítanak

Az Anammox, az ANaerob Ammónium OXidáció rövidítése, a nitrogénciklus globálisan jelentős mikrobiális folyamata. A folyamatot közvetítő baktériumokat 1999-ben azonosították, és akkoriban nagy meglepetést okoztak a tudományos közösség számára. Az anammox számos természetes környezetben játszódik le, és az óceánokban termelődő dinitrogéngáz akár 50%-át teszi ki. Ebben a biológiai folyamatban a nitrit és az ammónium közvetlenül dinitrogéngázzá alakul. Az általános katabolikus reakció a következő:

Anammox-baktérium dúsító tenyészete (Radboud Egyetem, Nijmegen): Kuenenia stuttgartiensis anammox baktérium dúsító tenyészete.

Az anyagcsere ezen formája magában foglalja az ammónia-oxidáció és a nitritredukció összekapcsolását. Mivel a folyamathoz nincs szükség oxigénre, ezek a szervezetek szigorú anaerobok. Meglepő módon a hidrazin (N2H4 — rakéta-üzemanyag) az anammox anyagcsere során intermedierként keletkezik. A hidrazin magas toxicitásának leküzdésére az anammox baktériumoknak van egy hidrazin tartalmú intracelluláris organellumuk, amelyet anammoxaszómának neveznek (egy rekesz a citoplazmában, amely az anammox katabolizmusának helye), amelyet egy szokatlan és rendkívül tömör ladderán lipidmembrán vesz körül. Ezenkívül ezeknek a baktériumoknak a membránja főként a biológiában eddig egyedülálló ladderán lipidekből áll. Külön érdekesség a hidrazinná való átalakítás (általában nagy energiájú rakéta-üzemanyagként használják, és a legtöbb élő szervezetre mérgező) köztitermékként. A szervezet utolsó feltűnő tulajdonsága a rendkívül lassú növekedési ütem. A duplázódási idő közel két hét. Az anammox-folyamatot eredetileg csak 20 °C és 43 °C közötti hőmérsékleten észlelték, de újabban az anammoxot 36 °C és 52 °C közötti hőmérsékleten figyelték meg meleg forrásokban és 60 °C és 85 °C közötti hőmérsékleten a hidrotermális szellőzőknél. a Közép-Atlanti-hátság mentén.

Az anamox organizmusok autotrófok, bár a szén-dioxid megkötésének mechanizmusa még mindig nem tisztázott. Ezen tulajdonságuk miatt ezek az organizmusok iparilag felhasználhatók nitrogén eltávolítására a szennyvízkezelési folyamatokban. Az anammox folyamatot végző baktériumok a Planctomycetes (pl. Candidatus Brocadia anammoxidans) törzsbe tartoznak, amelyek közül a Planctomyces és a Pirellula a legismertebb nemzetség. Jelenleg az anammox baktériumok öt nemzetségét határozták meg (ideiglenesen): Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus, Jettenia (minden édesvízi faj) és Scalindua (tengeri fajok).


Egyes baktériumok szénhidrogén-metabolizmusának képességét molekuláris oxigén hiányában először csak körülbelül tíz évvel ezelőtt ismerték fel. Azóta folyamatosan növekszik azoknak a szénhidrogénvegyületeknek a száma, amelyekről kimutatták, hogy a tiszta baktériumtenyészetek által anaerob módon katabolizálódnak. Ez az áttekintés összefoglalja a szénhidrogének anaerob mineralizációjára képes baktériumizolátumok jelenlegi ismereteit, valamint az egyes szubsztrátok katabolikus folyamataiban részt vevő enzimek biokémiáját és molekuláris biológiáját. Számos alkil-benzolt, alkánt vagy alként anaerob módon szubsztrátként hasznosítanak a denitrifikáló, vas(III)-redukáló és szulfátredukáló baktériumok. Az anaerob szénhidrogén-lebontó baktériumok egy másik csoportja a „protonreduktorok”, amelyek a metanogénekkel való szintetrófiától függenek. Két alkil-benzol, a toluol és az etilbenzol esetében ismertek az anaerob mineralizációban szerepet játszó biokémiai folyamatok részletei. Ezeket a szénhidrogéneket kezdetben új, korábban ismeretlen reakciók támadják meg, és tovább oxidálódnak benzoil-CoA-vá, amely számos aromás vegyület anaerob katabolizmusának gyakori köztiterméke. A toluol lebomlását a toluol-metil-csoport szokatlan addíciós reakciója indítja be a fumarát kettős kötéséhez, így benzil-szukcinát keletkezik. Az első lépést katalizáló enzimet biokémiai és molekuláris szinten is jellemezték. Ez egy egyedülálló típusú glicil-gyök enzim, egy enzimcsalád, amelyet korábban csak a piruvát-formiát liázok és az anaerob ribonukleotid reduktázok képviseltek. A benzil-szukcinát szintáz gyökös enzim jellege alapján feltételezett reakciómechanizmust javasolnak toluolnak a fumaráthoz való hozzáadására. Úgy tűnik, hogy a benzil-szukcinát további benzoil-CoA-vá és szukcinil-CoA-vá történő katabolizmusa egy módosított β-oxidációs útvonal reakciói révén megy végbe. Az etil-benzolt először a metilénszénnél oxidálják 1-fenil-etanollá, majd ezt követően acetofenonná, amelyet azután 3-oxo-fenil-propionáttá karboxileznek, és benzoil-CoA-vá és acetil-CoA-vá alakítják. Az alkánok anaerob mineralizációja oxigénfüggetlen oxidációval jár zsírsavakká, amelyet β-oxidáció követ. Egy alkán-mineralizáló szulfátredukáló baktérium egyik törzsében úgy tűnik, hogy az aktiválás lánchosszabbításon keresztül megy végbe, esetleg egy C hozzáadásával.1-csoport az alkán terminális metilcsoportjánál. Végül az anaerob szénhidrogén-katabolikus útvonalak szabályozásával és ökológiai jelentőségével kapcsolatos szempontokat tárgyaljuk.

A szénhidrogéneket telített vegyületekre (alifás és aliciklusos alkánok), C-C kettős kötéseket tartalmazó vegyületekre (alkének), C-C hármas kötést tartalmazó vegyületekre (alkinok) és mono- és policiklusos aromás szénhidrogénekre oszthatjuk. E vegyületek kémiájával kapcsolatos részletek megtalálhatók a legtöbb szerves kémia tankönyvben (pl. [1–4]). A legtöbb szénhidrogénvegyület nagy homolitikus és heterolitikus disszociációs energiát mutat a C–H és C–C kötéseikben, és gyenge kémiai reakciókészséget mutat. Ezért a szénhidrogének nem vesznek részt sav-bázis reakciókban vizes rendszerekben, amint azt rendkívül magas elméleti p-értékük jelzi.Ka értékeket. Az alkánok (karbéniumionokat és molekuláris hidrogént hozó) protonálásához szupersavak alkalmazása szükséges. A telítetlen C–C kötésekhez való addíciós reakciók az alkének és alkinok kettős és hármas kötéseinél fordulnak elő, az aromás gyűrűknél azonban nem.

Az alkének bizonyos redox reakciói viszonylag enyhe körülmények között mennek végbe, például katalitikus hidrogénezéssel hidrogénnel alkánokká redukálódnak. Hasonló módon az aromás gyűrűkhöz közvetlenül kapcsolódó metil- vagy metiléncsoportok katalitikusan oxidálhatók a megfelelő karboxil- vagy karbonilcsoportokká. A szénhidrogének leggyakoribb reakciója az, hogy tüzelőanyagként oxigénnel CO-dá égnek2 és vizet. Ezeket a reakciókat, amelyek gyökös intermediereken keresztül mennek végbe, oxigenizációs reakciók indítják el, amelyekben a molekuláris oxigén közvetlen reagensként vesz részt. Az enzimkatalizált oxigenizáció, amely gyökös köztitermékeken keresztül is előfordul, egészen a közelmúltig az egyetlen ismert kezdeti reakció az alkánok és aromás szénhidrogének lebontására biológiai rendszerekben (lásd alább).

A szénhidrogének néhány ismert, oxigéntől független kémiai reakciójában radikális mechanizmusok is szerepet játszanak. Az aromás szénhidrogének alkánjai és alkil-oldalláncai pirolízissel kémiailag kisebb alkánokká és alkénekké „repedhetők”, vagy fény jelenlétében elemi halogénekkel halogénezhetők. Mindkét reakció szabad gyökös intermediereket tartalmaz. Ezeket a reakciókat technikailag olyan körülmények között hajtják végre, amelyek nem kompatibilisek a biológiai rendszerekkel. A közelmúltban azonban kiderült, hogy egyes baktériumok valójában oxigéntől független gyökös reakciókat alkalmaznak a szénhidrogének szubsztrátként való elérhetővé tételére (lásd alább).

Az aromás szénhidrogének kémiai úton elektrofil szubsztitúcióval állíthatók elő. Az aromás gyűrű szubsztitúciós reakcióira jól ismert példák a halogénezés, nitrálás, szulfonálás, diazónium kapcsolás és szénelektrofilekkel, pl. Friedel–Crafts reakciókban keletkező karbokationok. Ezek a reakciók általában olyan körülményeket igényelnek, amelyek az élő szervezetekben valószínűleg nem létezhetnek.

A szénhidrogének széles körben elterjedtek a környezetben. Legfőbb ipari forrásuk a kőolaj és a hozzá kapcsolódó földgázok, amelyek geokémiai úton, biomasszából, magas nyomáson és hőmérsékleten képződnek. Jelentős mennyiségű szénhidrogén keletkezik azonban biológiai folyamatok során is. Például a metánt metabolikus végtermékként metanogén baktériumok állítják elő. Nagy molekulatömegű alkánok bioszintézise a megfelelő (n+1) aldehideket jelentettek tengeri algáknál [5]. A legegyszerűbb alkénvegyületet, az etilént a magasabb rendű növények érési hormonként szintetizálják és bocsátják ki, emellett ismert néhány etiléntermelő baktérium és gomba [6]. A nagy molekulatömegű alkének a rovarok és a magasabb rendű növények kutikulájának alkotórészeiként találhatók meg, és védelmet nyújtanak a vízvesztés, valamint az ivarferomonok ellen [7]. Ezek vagy telítetlen zsírsavak dekarboxilezésével [8] vagy a telítetlen aldehid prekurzorok alkénekké és szén-monoxiddá történő átalakulásával jönnek létre.2 [9]. A természetes szénhidrogének másik jól ismert osztálya, amelyek gyakran tartalmaznak kettős kötéseket, az izoprenoidok, pl. számos növény, rovar és mikroorganizmus karotinoidjai és terpénjei [10]. Hylemon és Harder ebben a számban áttekinti az izoprenoidok anaerob katabolizmusát. Bizonyos aromás szénhidrogének biológiailag is képződnek. Alacsony koncentrációjú toluolt észleltek érintetlen környezetben, például a tavak anaerob hipolimniájában [11], amely a fenilalanin számos anaerob baktériumfaj általi lebontásából származik. Ezek a baktériumok először a fenilalanint fenil-acetáttá oxidálják, amely aztán dekarboxileződik [12, 13]. A közelmúltban néhány növény- és állatfaj esetében még a naftalin biológiai képződéséről is beszámoltak [14].

A szénhidrogének katabolizmusát régóta szigorúan oxigénfüggő folyamatnak tekintik. A gombák és baktériumok között gyakori aerob szénhidrogén hasznosító szervezetek találhatók. Ezek a mikroorganizmusok gyakorlatilag az összes természetesen keletkezett és az iparilag előállított szénhidrogén széles skáláját képesek metabolizálni. Az aerob szervezetekben a szénhidrogének kezdeti támadásához mindig molekuláris oxigénre van szükség társszubsztrátumként. Az alkánok anyagcsereútjában az első enzimek a monooxigenázok, míg az aromás szénhidrogéneket vagy monooxigenázok vagy dioxigenázok támadják meg. Ezek az enzimek a molekuláris oxigénből származó hidroxilcsoportokat építik be az alifás láncba vagy az aromás gyűrűbe. Az alifás szénhidrogénekből képződött alkoholokat ezután megfelelő savakká oxidálják, az aromás szénhidrogének gyűrűs hidroxilezése során keletkező fenolos vegyületek pedig az oxidatív gyűrűhasadás közvetlen prekurzorai (legutóbbi áttekintés: [15]).

Amint azt a mikrobiológiai kutatások elmúlt évtizede bebizonyította, bizonyos mikroorganizmusok anaerob körülmények között is képesek szénhidrogénvegyületeket katabolizálni. Az anaerob módon lebontható szénhidrogének közé tartoznak a 6-20 szénatomos lánchosszúságú alifás alkének és alkánok, monociklusos alkil-benzolok, például toluol, etilbenzol, propilbenzol, p-cimén-, xilol- és etiltoluol-izomerek, valamint benzol és naftalin. A tiszta baktériumtenyészetek által anaerob módon lebontott szénhidrogének egy része az 1. ábrán látható. Nyilvánvaló, hogy az erre a metabolikus kapacitásra képes baktériumoknak alternatív, oxigéntől független reakciókat kell kifejleszteniük szénhidrogén szubsztrátjaik kezdeti megtámadására. Még nem fedeztek fel olyan organizmust, amely hatnál kevesebb szénatomot tartalmazó szénhidrogéneket anaerob módon mineralizálna.

Egyes szénhidrogének szerkezete, amelyeket tiszta baktériumkultúrák anaerob módon metabolizálnak.


Aromás katabolikus útvonalak proteomikai elemzése termofil Geobacillus thermodenitrificans NG80-2-ben

A Geobacillus thermodenitrificans NG80-2 egy kőolajbontó termofil baktérium, amelyet egy kínai olajtározóból izoláltak. Ebben a tanulmányban megerősítették a benzoát (benzoil-CoA-n keresztül), fenil-acetát (fenil-acetil-CoA-n keresztül), 4-hidroxi-fenil-acetát (3,4-dihidroxi-fenil-acetáton keresztül) és antranilát (3-hidroxi-antraniláton keresztül) lebomlásának géncsoportjait és útvonalait. kombinált in silico analízis és proteomikai megközelítések alkalmazásával. Megfigyelték, hogy a kezdeti aktiválási, gyűrűs oxidációs és gyűrűhasadási reakciókat katalizáló enzimek szintézisét általában specifikusan a megfelelő szubsztrátjaik indukálják, míg a downstream reakciókat katalizáló enzimek közül sok szélesebb szubsztrátspecifitást mutatott. Új benzoil-CoA epoxidázt és 3,4-dihidroxifenilacetát 2,3-dioxigenázt kódoló géneket, valamint egy paaX homológot javasoltak, amely a benzoát degradáció pozitív szabályozójaként szolgál. Az aromás vegyületek hasznosításával összefüggésben a glikolízis útvonal downregulációját, valamint a glükoneogenezis út és a glioxilát bypass (fenilacetát) upregulációját mutattuk ki. Ez az új proteomikai megközelítés megerősítette az aromás vegyületek több metabolikus útvonalának jelenlétét az NG80-2-ben, ami rendkívül előnyös ennek a termofil baktériumnak a túlélése szempontjából rezervoár körülmények között.


Az élőhely-orientált rendszerbiológia feléAromatoleum aromaticum” EbN1

A denitrifikáló bétaproteobaktériumAromatoleum aromaticum” Az EbN1 egy jól tanulmányozott modellszervezet az aromás vegyületek anaerob lebontására. Genomjának 2005-ös közzétételét követően átfogó fiziológiai-proteomikai vizsgálatokat végeztek, hogy a genomikai tervből levonják a funkcionális megértést. Egy katabolikus hálózat (85 előre jelzett, 65 azonosított fehérje) 24 aromás növekedési szubsztrát (köztük 11 újonnan felismert) anaerob lebontására jött létre. Az újonnan feltárt útvonalak közé tartoznak a 4-etil-fenol és a növényi eredetű 3-fenil-propanoidok, amelyek számos paralóg gén funkcionális hozzárendelését foglalják magukban. Az egyes perifériás lebomlási utak szubsztrát-specifikus szabályozását valószínűleg nagyon specifikus kémiai érzékelés indítja el, dedikált szenzoros/szabályozó fehérjéken, pl. három különböző σ 54-függő egykomponensű szenzoros/szabályozó fehérje az előrejelzések szerint három fenolos szubsztrát között tesz különbséget (fenol, p-krezol és 4-etil-fenol) és két különböző kétkomponensű rendszer feltételezi, hogy különbséget tesz két alkilbenzol (toluol, etilbenzol) között. Az in situ releváns növekedési körülmények között végzett vizsgálatok azt mutatták, hogy (a) a benzoát előnyös hasznosítása szukcinát keverékből a C elfojtott szintéziséből ered.4-dikarboxilát TRAP transzporter (b) az alkil-benzol által kiváltott oldószerstresszre adott válasz magában foglalja az acetil-CoA metabolikus átirányítását és a poli(3-hidroxi-butirát) szintézis redukáló ekvivalenseit, a sejtmembrán összetételének megváltoztatását és feltételezett oldószer kiáramlási rendszerek kialakulását és (c) ) a lassú növekedéshez való sokrétű alkalmazkodás magában foglalja a karbantartáshoz szükséges energiaigény kiigazítását és a jövőbeli táplálkozási lehetőségekre való felkészülést, azaz a felvevőrendszerek és katabolikus enzimek biztosítását többféle aromás szubsztrát számára azok hiánya ellenére. Ez a széles tudásbázis, valamint egy genetikai rendszer közelmúltbeli fejlesztése megkönnyíti a jövőbeni funkcionális, biotechnológiai (sztereospecifikus dehidrogenázok) és élőhely-újraélesztő ("öko-"rendszerbiológia) vizsgálatokatA. aromaticum” EbN1.

Ez az előfizetéses tartalom előnézete, hozzáférés az intézményen keresztül.