Пропионовокислые бактерии

В эту группу, объединяемую в род Propionibacterium , входят грамположительные, неподвижные, не образующие спор палочковидные бактерии, размножающиеся бинарным делением. В зависимости от условий культивирования и цикла развития форма клетки может меняться до кокковидной, изогнутой или булавовидной. Типовой вид - Propionibacterium freudenreichii .

Большинство пропионовокислых бактерий - аэротолерантные анаэробы , получающие энергию в процессе брожения , основным продуктом которого является пропионовая кислота . Аэротолерантность их обусловлена наличием полностью сформированной ферментной системы защиты от токсических форм кислорода (супероксидный анион, перекись водорода). У пропионовокислых бактерий обнаружены супероксиддисмутазная, каталазная и пероксидазная активности. Внутри группы отношение к О2 различно. Некоторые виды могут расти в аэробных условиях.

Брожение не исчерпывает всех возможностей получения энергии этой группой эубактерии. Хотя гликолитическое расщепление глюкозы с образованием в качестве обязательного промежуточного соединения пировиноградной кислот ы является основным путем разложения глюкозы, кроме этого пути в группе пропионовых бактерий обнаружен окислительный пентозофосфатный путь , реакции ЦТК , активное "флавиновое дыхание " и окислительное фосфорилирование , сопряженное с электронтранспортной системой. Вклад каждого из этих путей в общий энергетический метаболизм зависит как от вида бактерий, так и от конкретных внешних условий.

Эволюция пропионовых бактерий определенно шла по пути приспособления к аэробным условиям. У некоторых видов обнаружен " эффект Пастера ": в присутствии кислорода воздуха происходит переключение с брожения на дыхание.

Пропионовые бактерии могут синтезировать гемсодержащие белки. В их клетках обнаружены цитохромы.

Важную роль в аэробном метаболизме пропионовых бактерий играет " флавиновое дыхание ", которому приписывают основную связь этих бактерий с молекулярным кислородом. В процессе флавинового дыхания происходит перенос двух электронов сфлавопротеинов на О2, сопровождающийся образованием перекиси водорода, которая разлагается бактериальной каталазой и пероксидазой. Однако флавиновое дыхание не связано с получением клеткой энергии.

Транспорт электронов в дыхательной цепи некоторых пропионовых бактерий сопровождается образованием АТФ , что может указывать на подключение к этому процессу цитохромов , однако эффективность окислительного фосфорилирования низка. Последнее, вероятно, объясняется несовершенством механизмов сопряжения. В то время как в аэробных условиях конечным акцептором электронов с НАД*Н2 является О2, в анаэробных условиях им может быть нитрат, фумарат.

Таким образом, в группе пропионовых бактерий мы сталкиваемся с большим разнообразием энергетических возможностей. В целом у пропионовых бактерий достаточно четко просматриваются две тенденции: с одной стороны, усовершенствование основного анаэробного способа получения энергии, с другой - попытки приспособления и, более того, рационального использования молекулярного кислорода.

Конструктивный метаболизм пропионовых бактерий претерпел дальнейшую эволюцию в сторону большей независимости от органических соединений внешней среды. Пропионовые бактерии характеризуются хорошо развитыми биосинтетическими способностями и могут расти на простой синтетической среде с аммонийным азотом в качестве единственного источника азота при добавлении к среде пантотеновой кислоты и биотина, а для некоторых видов и тиамина. У ряда пропионовых бактерий обнаружена способность к азотфиксации.

Местообитание пропионовых бактерий - кишечный тракт жвачных животных, молоко, твердые сыры, в приготовлении которых они принимают участие. После молочнокислого брожения , когда лактоза превращена в молочную кислоту, начинают размножаться пропионовые бактерии, сбраживающие молочную кислоту с образованием уксусной и пропионовой кислот. Эти кислоты придают сырам специфический острый вкус. Пропионовые бактерии используют в микробиологической промышленности в качестве продуцентов витамина В12.

Маслянокислое брожение. Двухфазность брожения. Характеристика бактерий рода Clostridium. Сахаролитические, протеолитические, пуринолитические клостридии. Распространение и значение клостридиев в природе. Практическое использование.

Маслянокислое брожение - еще один вариант решения донор- акцепторной проблемы на базе гликолитически образованного пирувата . Новое в маслянокислом брожении - возникновение реакций конденсации типа (С2 + С2 приводит к С4), в результате чего образуется С4-акцепторная кислота. Судьба этой кисдоты различна и определяется необходимостью акцептирования водорода с НАД*Н2 , освобождающегося в процессеброжения , а это, в свою очередь, тесно связано с оттоком водорода на конструктивные процессы. В качестве конечных С4-продуктов в процессе брожения возникают соединения различной степени восстановленности. Характерным С4-продуктом брожения является масляная кислота . Осуществляют такой тип брожения многие бактерии относящиеся к роду Clostridium .

Типичными представителями клостридиев, осуществляющи маслянокислое брожение, являются Сlostridium butyricum и Сlostridium pasteurianum . Они сбраживают сахара с образованием масляной и уксусной кислот, СО2 и Н2 ( рис. 57 ). Превращение глюкозы до пирувата осуществляется по гликолитическому пути . Следующая реакция - разложение пирувата до ацетил-КоA и СО2, сопровождающееся образованием восстановленного ферредоксина (Фд) . Реакция катализируется ферментом пируват:ферредоксин-оксидоредуктазой и является ключевой в маслянокислом брожении. Особенности реакции - участие в ней белков, содержащих негемовое железо и кислотолабильную серу ( FeS-белки ). Кислотолабильной она названа потому, что при кислотной обработке белка происходит ее выделение в виде H2S.

Образующийся в реакции восстановленный ферредоксин поставляет электроны для восстановления N2, протонов (Н+), СО2 и НАДФ+ , а последующее превращениеацетил-КоA приводит к синтезу АТФ в реакции субстратного фосфорилирования .

Путь, ведущий к синтезу масляной кислоты , начинается с реакции конденсации двух молекул ацетил-КоА ( рис. 57 ). Образовавшийся ацетоацетил-КоA восстанавливается вбета-оксибутирил-КоA . Источником электронов в этой реакции и дальше на пути синтеза масляной кислоты служат молекулы НАД*Н2 , образующиеся при окислении 3-ФГА в 1,3-ФГК ( рис. 53 ).

Дальнейшее превращение заключается в отщеплении от молекулы бета-оксибутирил-КоA молекулы воды, что приводит к образованию соединения с двойной углеродной связью. Кротонил-КоA ферментативно восстанавливается в бутирил-КоA . Масляная кислота образуется в реакции переноса кофермента A с молекулы бутирил-КоA наацетат . Эта реакция более "выгодна" для клетки, так как не приводит к потере энергии (в отличие от реакции простого гидролиза). Образующийся в реакции ацетил- КоA возвращается в метаболический поток и может быть использован для синтеза АТФ(реакция 7 на рис. 57 ) или же вновь участвовать в последовательности реакций, ведущих к синтезу масляной кислоты (реакции 2-6, там же).

Разобранный выше путь, завершающийся синтезом масляной кислоты, не связан с получением клеткой энергии, поскольку ни на одном из этапов не происходит образования АТФ. Единственное назначение метаболических превращений ацетил-КоA по этому пути - акцептирование электронов, переносимых на НАД+ в процессе гликолитического метаболизирования глюкозы: две молекулы НАД*Н2 образуются на этапе гликолиза, и на двух этапах превращений ацетил-КоA до масляной кислоты происходит по требление водорода с НАД*Н2.

В связи с этим особо важное значение приобретает превращение ацетил-КоA, ведущее к синтезу ацетата , поскольку именно с этим путем связано дополнительное получение клостридиями энергии в процессе маслянокислого брожения. Процесс включает несколько ферментативных реакций ( рис. 57 ). Сначала имеет место окислительноедекарбоксилирование пировинограднои кислоты , катализируемое пируват: ферредоксин- оксидоредуктазой. Далее с помощью гидрогеназы происходит выделение молекулярного водорода с восстановленного ферредоксина.

Ацетил-КоA превращается в ацетилфосфат, а затем в ацетат, при этом синтезируется молекула АТФ. Две последние реакции аналогичны тем, которые происходят при образовании уксусной кислоты в пропионовокислом брожении (см. рис. 56 ).

Основным источником выделяемых при брожении газообразных продуктов (СО2 и Н2) служит реакция окислительного декарбоксилирования пирувата. У клостридиев описаны и другие пути образования молекулярного водорода. В частности, НАД*Н2 , возникающий на гликолитическом пути, может восстанавливать ферредоксин в реакции, катализируемой НАД*Н2: ферредоксин-оксидоредуктазой, а с восстановленного ферредоксина Н2 выделяется при участии гидрогеназы. Как видно, природа нашла различные пути для избавления от избытка восстановительных эквивалентов и для регенерирования и последующего возвращения в клеточный метаболизм промежуточных переносчиков водорода.

Выведение уравнения маслянокислого брожения и определение его энергетического выхода затруднительно из-за лабильности процесса, состоящего из двух основных ответвлений: одного - окислительного, ведущего к образованию ацетата и АТФ, другого - восстановительного, функция которого - акцептирование водорода, образовавшегося в процессе гликолиза. Количественное соотношение между обоими ответвлениями зависит от многих внешних факторов (состав среды, стадия роста и др.).

Расчеты показали, что в целом на 1 моль сбраживаемой глюкозы в маслянокислом брожении образуется 3,3 моля АТФ . Это наиболее высокий энергетический выход брожения, т.е. получения энергии за счет субстратного фосфорилирования .