Informație

5.10G: Catabolismul benzoatului - Biologie

5.10G: Catabolismul benzoatului - Biologie



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.

Rhodobacter sphaeroides este capabil să producă hidrogen dintr-o gamă largă de compuși organici (în principal acizi organici) și lumină.

obiective de invatare

  • Enumerați o funcție a Rhodococcus în comunitatea științifică

Puncte cheie

  • În absența divizării apei, fotosinteza este anoxigenă. Prin urmare, producția de hidrogen este susținută fără inhibarea oxigenului generat.
  • Tulpinile de Rhodococcus sunt importante datorită capacității lor de a cataboliza o gamă largă de compuși și de a produce steroizi bioactivi, acrilamidă și acid acrilic, precum și implicarea lor în biodesulfurarea combustibililor fosili.
  • Utilizarea Rhodococcus se datorează capacității sale de a metaboliza poluanții nocivi pentru mediu, cum ar fi toluenul, naftalina, erbicidele și PCB-urile.

Termeni cheie

  • catabolism: Metabolismul distructiv, include de obicei eliberarea de energie și defalcarea materialelor.
  • Rhodococcus: un gen de bacterii Gram pozitive aerobe, nesporulante, nemotile, înrudite strâns cu Mycobacteria și Corynebacteria.
  • benzoat: Orice sare sau ester al acidului benzoic.

Catabolismul benzoatului este o serie de reacții chimice care au ca rezultat descompunerea benzoatului. Bacteria purpurie fără sulf (PNS) Rhodobacter sphaeroides este capabilă să producă hidrogen dintr-o gamă largă de compuși organici (în principal acizi organici) și lumină. Fotosistemul necesar pentru producerea de hidrogen în Rhodobacter (PS-I) diferă de fotosistemul său oxigenat (PS-II) datorită necesității de acizi organici și incapacitatea de a oxida apa. În absența divizării apei, fotosinteza este anoxigenă. Prin urmare, producția de hidrogen este susținută fără inhibarea oxigenului generat. În bacteriile PNS, producția de hidrogen se datorează catalizei de către nitrogenază. Hidrogenazele sunt, de asemenea, prezente, dar producția de hidrogen de către [FeFe]-hidrogenază este mai mică de zece ori absorbția de hidrogen de către [NiFe]-hidrogenază. Numai în condiții de deficit de azot este suficientă activitatea azotazei pentru a depăși activitatea de absorbție a hidrogenazei, rezultând generarea netă de hidrogen.

Rhodococcus este un gen de bacterii Gram-pozitive aerobe, nesporulante, nemotile, strâns legate de micobacterii și corinebacterii. În timp ce câteva specii sunt patogene, cele mai multe sunt benigne și s-a descoperit că se dezvoltă într-o gamă largă de medii, inclusiv sol, apă și celule eucariote. Secvențiat complet în octombrie 2006, se știe că genomul are 9,7 megaperechi de baze și 67% G/C. Tulpinile de Rhodococcus sunt importante datorită capacității lor de a cataboliza o gamă largă de compuși și de a produce steroizi bioactivi, acrilamidă și acid acrilic, precum și implicarea lor în biodesulfurarea combustibililor fosili. Această diversitate genetică și catabolică se datorează nu numai cromozomului bacterian mare, ci și prezenței a trei plasmide liniare mari. Rhodococcus este, de asemenea, un sistem avantajos experimental datorită unei rate de creștere relativ rapide și a unui ciclu de dezvoltare simplu. Cu toate acestea, așa cum este acum, Rhodococcus nu este bine caracterizat. O altă aplicație importantă a Rhodococcus vine din bioconversie, folosind sisteme biologice pentru a converti materia primă ieftină în compuși mai valoroși. Această utilizare a Rhodococcus se datorează capacității sale de a metaboliza poluanții nocivi pentru mediu, cum ar fi toluenul, naftalina, erbicidele și PCB-urile. Rodococii metabolizează de obicei substraturile aromatice prin oxigenarea mai întâi a inelului aromatic pentru a forma un diol (două grupe alcoolice). Apoi, inelul este scindat cu mecanisme intra/extradiol, deschizând inelul și expunând substratul la un metabolism suplimentar. Deoarece chimia de aici este foarte stereospecifică, diolii sunt creați cu chiralitate previzibilă. În timp ce controlul chiralității reacției chimice prezintă o provocare semnificativă pentru chimiștii sintetici, procesele biologice pot fi utilizate în schimb pentru a produce fidel molecule chirale în cazurile în care sinteza chimică directă este imposibilă sau ineficientă. Un exemplu în acest sens este utilizarea Rhodococcus pentru a produce inden, un precursor al medicamentului SIDA Crixivan.TM, un inhibitor de protează și care conține doi dintre cei cinci centri chirali necesari în complex.


Benzoatul mediază reprimarea simultană a utilizării anaerobe de 4-metilbenzoat și succinat în Magnetospirillum sp. tulpina pMbN1

La concentrații mari de substraturi organice, utilizarea microbiană a substraturilor preferate (adică, susținerea creșterii rapide) duce adesea la creșterea diauxică cu epuizarea ierarhică a substratului. Spre deosebire de utilizarea discriminativă mediată de reprimarea catabolitului de carbon a carbohidraților, preferințele de substrat ale bacteriilor care nu utilizează carbohidrați pentru clasele de compuși relevante pentru mediu (de exemplu, acizi alifatici sau aromatici) sunt rareori investigate. Alfaproteobacteria denitrificatoare Magnetospirillum sp. tulpina pMbN1 degradează anaerob o mare varietate de compuși alifatici și aromatici și este unică pentru degradarea anaerobă a 4-metilbenzoatului. Acesta din urmă se desfășoară printr-o secvență de reacție distinctă, analogă căii benzoil-CoA anaerobe centrale către intermediarii metabolismului central. Având în vedere prezența acestor două căi diferite anaerobe de degradare a inelului caromatic, preferințele de substrat ale Magnetospirillum sp. au fost investigate tulpina pMbN1. Creșterea anaerobă și consumul de substrat au fost monitorizate în amestecuri binare și ternare de 4-metilbenzoat, benzoat și succinat, împreună cu profilarea abundenței rezolvată în timp a transcrierilor selectate și/sau proteinelor legate de absorbția și catabolismul substratului.

Rezultate

Creșterea diauxică cu preferință de benzoat a fost observată pentru amestecurile de substrat binare și ternare care conțin 4-metilbenzoat și succinat (în ciuda adaptării Magnetospirillum sp. tulpina pMbN1 la unul dintre ultimele două substraturi). Dimpotrivă, 4-metilbenzoatul și succinatul au fost utilizați simultan dintr-un amestec binar, precum și după epuizarea benzoatului din amestecul ternar. Aparent, reprimarea simultană a utilizării 4-metilbenzoatului și succinatului din amestecul de substrat ternar a rezultat din (i) inhibarea captării 4-metilbenzoatului și (ii) inhibarea combinată a absorbției succinatului (prin cei doi transportatori DctPQM și DctA) și conversia succinatului în acetil-CoA (prin piruvat dehidrogenază). Reprimarea mediată de benzoat a C4-utilizarea dicarboxilatului in Magnetospirillum sp. tulpina pMbN1 diferă de cea descrisă recent pentru “Aromatoleum aromaticum” EbN1 (implicând numai DctPQM).

Concluzii

Utilizarea preferențială sau simultană a benzoatului și a altor acizi aromatici din amestecuri cu acizi alifatici poate reprezenta un comportament nutrițional mai comun printre specialiștii în degradare (anaerobă) decât se credea anterior. Preferința de Magnetospirillum sp. tulpina pMbN1 pentru benzoat din amestecuri cu 4-metilbenzoat și, prin urmare, separarea temporală a căii benzoil-CoA (prima) și 4-metilbenzoil-CoA (a doua) poate reflecta o adaptare catabolică către eficiența metabolică și o gamă mult mai largă de substraturi aromatice. hrănindu-se în calea benzoil-CoA anaerobă centrală.

Material electronic suplimentar

Versiunea online a acestui articol (doi:10.1186/s12866-014-0269-4) conține material suplimentar, care este disponibil pentru utilizatorii autorizați.


Gena ZbYME2 din drojdia de alterare a alimentelor Zygosaccharomyces bailii conferă nu numai funcțiile YME2 în Saccharomyces cerevisiae, ci și capacitatea de catabolism a sorbatului și benzoatului, doi conservanți majori ai acidului organic slab.

Un factor care influențează rezistența microbilor de alterare a alimentelor la sorbat și benzoat este dacă aceste organisme sunt capabile să catalizeze degradarea acestor compuși conservanți. Mai multe ciuperci metabolizează acidul benzoic prin calea beta-cetoadipatului, implicând hidroxilarea benzoatului la 4-hidroxibenzoat. Saccharomyces cerevisiae nu poate folosi benzoatul ca o singură sursă de carbon, aparent din cauza lipsei activității benzoat-4-hidroxilazei. Cu toate acestea, o singură genă din drojdia Zygosaccharomyces bailii de alterare a alimentelor, exprimată heterolog în celulele S. cerevisiae, poate permite creșterea acesteia din urmă pe benzoat, sorbat și fenilalanină. Deși această genă ZbYME2 este esențială pentru utilizarea benzoatului de către Z. bailii, produsul său ZbYme2p are o omologie mică cu alte benzoat-4-hidroxilaze fungice studiate până în prezent, toate acestea par a fi citocrom P450 microzomal. În schimb, ZbYme2p are o similitudine puternică cu domeniul matricei al proteinei mitocondriale S. cerevisiae Yme2p/Rna12p/Prp12p și, atunci când este exprimat ca o fuziune funcțională cu proteina fluorescentă verde în S. cerevisiae care crește pe benzoat, este în mare parte localizat în mitocondrii. Fenotipurile asociate cu pierderea Yme2p nativ din S. cerevisiae, în mare parte evidente în celulele yme1,yme2, se pot referi la efectele nocive crescute ale stresului oxidativ endogen. Expresia heterologă a ZbYME2 completează aceste fenotipuri, dar conferă, de asemenea, un potențial de catabolism de conservare a acidului slab pe care S. cerevisiae Yme2p nativ nu îl poate furniza. Utilizarea benzoatului de către S. cerevisiae care exprimă ZbYME2 necesită un lanț respirator mitocondrial funcțional, dar nu Yme1p și Yme2p native ale mitocondriei.


Clonarea și exprimarea în Escherichia coli a genelor Acinetobacter calcoaceticus pentru degradarea benzoaților.

Genele catabolice necesare pentru conversia benzoatului în catecol au fost donate din Acinetobacter calcoaceticus în Escherichia coli. Genele donate, benABCD, au codificat atât un sistem benzoat 1,2-dioxigenază, compus din NADH-citocrom c reductază și componente terminale ale oxigenazei, cât și o cis-diol dehidrogenază. Sistemul dioxigenazei pare a fi codificat de trei gene, benABC, ale căror produse, proteinele 53-, 19- și 38-kilodalton, corespund ca mărime cu cele ale componentelor altor dioxigenaze bacteriene. Sistemul de dioxigenază donat este exprimat la nivel ridicat în E. coli, permițând conversia benzoatului într-un cis-diol, 2-hidro-1,2-dihidroxibenzoat, la o rată comparabilă cu cea a culturilor de A. calcoaceticus complet induse. O cis-diol dehidrogenază, produsul genei A. calcoaceticus benD, când este prezentă în E. coli, permite acestui organism să transforme intermediarul cis-diol în catecol. Dehidrogenaza a fost parțial purificată și este un dimer cu două subunități identice de 31-kilodalton. Genele ben sunt grupate pe cromozomul A. calcoaceticus cu gene reglate independent necesare pentru disimilarea catecolului. Într-o regiune de perechi de 16 kilobaze a cromozomului există 10 gene pentru catabolismul benzoaților, organizate în nu mai puțin de trei unități transcripționale. Acest tip de aranjament, numit clustering supraoperonic, a fost observat anterior la pseudomonade.


Benzoatul mediază reprimarea utilizării C(4)-dicarboxilatului în „Aromatoleum aromaticum” EbN1

Creșterea diauxică a fost observată în celulele anaerobe adaptate la C(4)-dicarboxilat ale „Aromatoleum aromaticum” EbN1 datorită utilizării preferate de benzoat dintr-un amestec de substrat de C(4)-dicarboxilat (succinat, fumarat sau malat) și benzoat. Profilele proteice diferențiale (electroforeză pe gel de diferență bidimensională [2D DIGE]) au evidențiat modificări dinamice în abundență pentru proteinele implicate în catabolismul benzoaților anaerob și absorbția C(4)-dicarboxilat. În prima fază de creștere activă, utilizarea benzoatului a fost paralelă cu abundența maximă de proteine ​​implicate în degradarea anaerobă a benzoatului (de exemplu, benzoil-coenzima A [CoA] reductază) și abundența minimă a DctP (EbA4158), proteina de legare periplasmatică a unui C prezis. (4)-dicarboxilat tripartit ATP-independent de transport periplasmatic (TRAP) (DctPQM). Opusul a fost observat în timpul utilizării ulterioare a succinatului în a doua fază de creștere activă. Transcriptul crescut al dctP (respectiv, dctPQM) și abundența proteinei DctP după epuizarea benzoatului sugerează că reprimarea absorbției C(4)-dicarboxilat pare a fi un determinant principal pentru diauxie observată.

Cifre

Creșterea anaerobă a „A. aromaticum”…

Creșterea anaerobă a „A. aromaticum” EbN1 cu amestecuri de succinat sau acetat plus...

Răspunsul proteomic al lui „A. aromaticum”…

Răspunsul proteomic al lui „A. aromaticum” EbN1 în timpul creșterii diauxice anaerobe cu succinat plus...

Activitatea benzoil-CoA reductazei (Bcr) în...

Activitatea benzoil-CoA reductazei (Bcr) în celulele crescute anaerob ale „A. aromaticum” EbN1 cu...

DctPQM C 4 -dicarboxilat...

DctPQM C 4 -transportor TRAP de dicarboxilat în „A. aromaticum” EbN1. (O genă…

Varianta de dctP ( ebA4158...

Varianta de dctP ( ebA4158 ) abundența transcripției în timpul creșterii diauxice anaerobe a...


Utilizarea pirenului și benzoatului în Mycobacterium KMS izolat este reglat diferențial prin represiune catabolică

Izolatul de sol, Mycobacterium sp. tulpina KMS, utilizează o serie de compuși de carbon, inclusiv aromaticile benzoat și piren, ca unice surse de carbon. Creșterea pe piren a indus atât cromozomiale, cât și plasmidele nidA gene care codifică subunitățile α de dioxigenază cu hidroxilare a inelului pirenului pentru oxidarea pirenului. Creșterea diauxică a avut loc atunci când KMS a fost cultivat cu piren plus fie acetat, succinat, fructoză sau benzoat și nidA numai expresia a fost detectată în a doua perioadă mai lentă de fază logarită. Site-uri potențiale de legare cAMP-CRP există în regiunea promotoare a ambelor nidA gene care indică faptul că cAMP-CRP poate fi implicat în reprimarea cataboliților a utilizării pirenului. Când a fost cultivat cu benzoat plus acetat, succinat sau fructoză, nu a existat o creștere diauxică. De asemenea, nu a existat o creștere diauxică pe fructoză plus succinat sau acetat. Expresia a benA gena, care codifică o subunitate a benzoat dioxigenază implicată în inițierea oxidării benzoatului, a fost detectată în celulele în fază log din culturile de substrat amestecat cu benzoat la același nivel ca atunci când celulele au fost cultivate numai pe benzoat. Aceste constatări au sugerat că reprimarea catabolită a pirenului, dar nu a benzoatului, a avut loc în KMS izolat. Aceste diferențe pot ajuta microbul să exploateze sursele variate de carbon disponibile în sol și mediile rizosferei.

Informații suplimentare pot fi găsite în versiunea online a acestui articol pe site-ul web al editorului

Nume de fișier Descriere
jobm201100480-sup-0001-Figs.doc2.8 MB Date suplimentare

Vă rugăm să rețineți: editorul nu este responsabil pentru conținutul sau funcționalitatea oricărei informații de sprijin furnizate de autori. Orice întrebări (altele decât conținutul lipsă) trebuie direcționate către autorul corespunzător articolului.


Anamox

Anammox, o abreviere pentru ANaerobic AMmonium OXidation, este un proces microbian semnificativ la nivel global al ciclului azotului.

Obiective de invatare

Descrieți procesul de ansamblu al oxidării anaerobe a amoniului (Anammox) și scopul acestuia

Recomandări cheie

Puncte cheie

  • Bacteriile care mediază acest proces au fost identificate în 1999, iar la acea vreme au reprezentat o mare surpriză pentru comunitatea științifică.
  • Această formă de metabolism apare la membrii Planctomycetes (de exemplu, Candidatus Brocadia anamoxidans) și implică cuplarea oxidării amoniacului cu reducerea nitriților.
  • Pentru a face față toxicității ridicate a hidrazinei, bacteriile anammox conțin un organel intracelular care conține hidrazină numit anammoxazom, înconjurat de o membrană lipidă ladderane foarte compactă. Aceste lipide sunt unice în natură, la fel ca și utilizarea hidrazinei ca intermediar metabolic.

Termeni cheie

  • Anamox: O abreviere pentru ANaerobic AMmonium OXidation, un proces microbian semnificativ la nivel global al ciclului azotului.
  • anaerobi: Organisme care nu au nevoie de oxigen pentru creștere.
  • ladderane: Oricare dintr-o clasă de hidrocarburi policiclice, constând din fragmente repetate de ciclobutan, care seamănă cu scări

Anammox, o abreviere pentru ANaerobic AMmonium OXidation, este un proces microbian semnificativ la nivel global al ciclului azotului. Bacteriile care mediază acest proces au fost identificate în 1999, iar la acea vreme au reprezentat o mare surpriză pentru comunitatea științifică. Anammox are loc în multe medii naturale, contribuind cu până la 50% din gazul de diazot produs în oceane. În acest proces biologic, nitritul și amoniul sunt transformați direct în dinazot gazos. Reacția catabolică globală este:

Cultura de îmbogățire a bacteriei Anammox (Universitatea Radboud, Nijmegen): Cultura de îmbogățire a bacteriei anammox, Kuenenia stuttgartiensis.

Această formă de metabolism implică cuplarea oxidării amoniacului cu reducerea nitriților. Deoarece oxigenul nu este necesar pentru proces, aceste organisme sunt anaerobe stricte. În mod uimitor, hidrazina (N2H4 — combustibil pentru rachete) este produs ca intermediar în timpul metabolismului anammox. Pentru a face față toxicității ridicate a hidrazinei, bacteriile anammox au un organel intracelular care conține hidrazină numit anammoxazom (un compartiment din interiorul citoplasmei, care este locusul catabolismului anammox), care este înconjurat de o membrană lipidică neobișnuită și foarte compactă. Mai mult, membranele acestor bacterii constau în principal din lipide ladderane unice până acum în biologie. Un interes deosebit este conversia în hidrazină (utilizată în mod normal ca combustibil pentru rachete de mare energie și otrăvitoare pentru majoritatea organismelor vii) ca intermediar. O ultimă caracteristică izbitoare a organismului este rata de creștere extrem de lentă. Timpul de dublare este de aproape două săptămâni. Procesul anammox a fost inițial descoperit că are loc doar de la 20 ° C la 43 ° C, dar mai recent, anammox a fost observat la temperaturi de la 36 ° C la 52 ° C în izvoarele termale și de la 60 ° C la 85 ° C la gurile hidrotermale situate. de-a lungul crestei Mid-Atlantic.

Organismele anammox sunt autotrofe, deși mecanismul de fixare a dioxidului de carbon este încă neclar. Datorită acestei proprietăți, aceste organisme ar putea fi utilizate industrial pentru a elimina azotul din procesele de tratare a apelor uzate. Bacteriile care efectuează procesul anammox aparțin filumului bacterian Planctomycetes (de exemplu, Candidatus Brocadia anammoxidans), dintre care Planctomyces și Pirellula sunt cele mai cunoscute genuri. În prezent au fost definite (provizoriu) cinci genuri de bacterii anammox: Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus, Jettenia (toate speciile de apă dulce) și Scalindua (speciile marine).


Capacitatea unor bacterii de a metaboliza hidrocarburile în absența oxigenului molecular a fost recunoscută pentru prima dată în urmă cu aproximativ zece ani. De atunci, numărul de compuși de hidrocarburi care s-a dovedit a fi catabolizați anaerob de culturi bacteriene pure a crescut constant. Această revizuire rezumă cunoștințele actuale despre izolatele bacteriene capabile de mineralizarea anaerobă a hidrocarburilor și despre biochimia și biologia moleculară a enzimelor implicate în căile catabolice ale unora dintre aceste substraturi. Câțiva alchilbenzeni, alcani sau alchene sunt utilizați anaerob ca substrat de mai multe specii de bacterii denitrificatoare, reducătoare de fier feric și reducătoare de sulfat. Un alt grup de bacterii anaerobe care degradează hidrocarburile sunt „reductorii de protoni” care depind de asocierile sintrofice cu metanogene. Pentru doi alchilbenzen, toluen și etilbenzen, sunt cunoscute detalii despre căile biochimice implicate în mineralizarea anaerobă. Aceste hidrocarburi sunt inițial atacate de reacții noi, anterior necunoscute și oxidate în continuare la benzoil-CoA, un intermediar comun în catabolismul anaerob al multor compuși aromatici. Degradarea toluenului este inițiată printr-o reacție neobișnuită de adiție a grupării toluen metil la dubla legătură a fumarat pentru a forma benzilsuccinat. Enzima care catalizează acest prim pas a fost caracterizată atât la nivel biochimic, cât și molecular. Este un tip unic de enzimă glicil-radicală, o familie de enzime reprezentată anterior doar de piruvat-formiat liazele și ribonucleotide reductaze anaerobe. Pe baza naturii benzilsuccinat sintetazei ca enzimă radicală, se propune un mecanism de reacție ipotetic pentru adăugarea de toluen la fumarat. Catabolizarea suplimentară a benzilsuccinatului în benzoil-CoA și succinil-CoA pare să aibă loc prin reacții ale unei căi de β-oxidare modificate. Etilbenzenul este mai întâi oxidat la carbonul metilen la 1-feniletanol și ulterior la acetofenonă, care este apoi carboxilat la 3-oxofenilpropionat și transformat în benzoil-CoA și acetil-CoA. Mineralizarea anaerobă a alcanilor implică o oxidare independentă de oxigen la acizi grași, urmată de β-oxidare. Într-o tulpină a unei bacterii reducătoare de sulfat de alcani-mineralizare, activarea pare să aibă loc printr-o alungire a lanțului, posibil prin adăugarea unui C.1-grupa la gruparea metil terminala a alcanului. În final, sunt discutate aspecte legate de reglementarea și semnificația ecologică a căilor catabolice anaerobe a hidrocarburilor.

Hidrocarburile pot fi clasificate în compuși saturați (alcani alifatici și aliciclici), compuși care conțin duble legături C–C (alchene), compuși cu triple legături C–C (alchine) și hidrocarburi aromatice mono și policiclice. Detalii privind chimia acestor compuși pot fi găsite în majoritatea manualelor de chimie organică (de exemplu, [1–4]). Majoritatea compușilor de hidrocarburi prezintă energii mari de disociere homolitică și heterolitică ale legăturilor lor C–H și C–C și reactivitate chimică slabă. Prin urmare, hidrocarburile nu participă la reacțiile acido-bazice în sistemele apoase, așa cum indică p-ul lor teoretic extrem de ridicat.KA valorile. Protonarea alcanilor (producând ioni de carbeniu și hidrogen molecular) necesită utilizarea superacizilor. Reacțiile de adiție la legăturile C-C nesaturate apar la legăturile duble și triple ale alchenelor și alchinelor, dar nu și la inelele aromatice.

Anumite reacții redox ale alchenelor apar în condiții relativ blânde, de exemplu, reducerea lor la alcani cu hidrogen prin hidrogenare catalitică. În mod similar, grupările metil sau metilen atașate direct la inele aromatice pot fi oxidate catalitic la grupările carboxil sau carbonil corespunzătoare. Cea mai comună reacție a hidrocarburilor este arderea lor ca combustibil cu oxigen la CO2 si apa. Aceste reacții, care au loc prin intermediari radicali, sunt inițiate de reacții de oxigenare, implicând oxigenul molecular ca reactant direct. Oxigenările catalizate de enzime, care au loc și prin intermediari radicali, au fost până de curând singurele reacții inițiale cunoscute pentru degradarea alcanilor și a hidrocarburilor aromatice în sistemele biologice (vezi mai jos).

Mecanismele radicale sunt, de asemenea, implicate în unele reacții chimice cunoscute independente de oxigen ale hidrocarburilor. Alcanii și lanțurile laterale alchil ale hidrocarburilor aromatice pot fi „cracate” chimic în alcani și alchene mai mici prin piroliză sau halogenate cu halogeni elementari în prezența luminii. Ambele reacții implică intermediari de radicali liberi. Aceste reacții sunt realizate din punct de vedere tehnic în condiții care nu sunt compatibile cu sistemele biologice. Cu toate acestea, recent a fost elucidat că unele bacterii folosesc de fapt reacții radicale independente de oxigen pentru a face hidrocarburile disponibile ca substrat (vezi mai jos).

Hidrocarburile aromatice pot fi derivate chimic prin substituție electrofilă. Exemple bine cunoscute de reacții de substituție la inelul aromatic sunt halogenarea, nitrarea, sulfonarea, cuplarea diazonului și reacțiile cu electrofili de carbon, de ex. carbocationi generați în reacțiile Friedel–Crafts. Aceste reacții necesită în mod normal condiții care probabil nu pot exista în organismele vii.

Hidrocarburile sunt răspândite în mediu. Sursa lor industrială majoră este petrolul și gazele naturale asociate acestuia, formate geochimic din biomasă în condiții de presiune și temperatură ridicată. Cu toate acestea, cantități semnificative de hidrocarburi se formează și prin procese biologice. De exemplu, metanul este produs ca produs final metabolic de către bacteriile metanogene. Biosinteza alcanilor cu molecule înalte prin decarbonilarea corespondenților (n+1) aldehide au fost raportate pentru o algă marine [5]. Cel mai simplu compus alchenic, etilena, este sintetizat și eliberat de plantele superioare ca hormon de coacere, în plus, sunt cunoscute unele bacterii și ciuperci producătoare de etilenă [6]. Alchenele cu masă moleculară mare se găsesc ca constituenți ai cuticulelor insectelor și plantelor superioare și servesc ca protecție împotriva pierderii de apă, precum și a feromonilor sexuali [7]. Ele se formează fie prin decarboxilarea acizilor grași nesaturați [8], fie prin conversia catalizată de monoxigenază a precursorilor aldehidelor nesaturate în alchene și CO2 [9]. O altă clasă bine cunoscută de hidrocarburi naturale, care conțin adesea legături duble, sunt izoprenoidele, de ex. carotenoide și terpene ale multor plante, insecte și microorganisme [10]. Catabolismul anaerob al izoprenoidelor este revizuit de Hylemon și Harder în acest număr. Anumite hidrocarburi aromatice se formează și biologic. Au fost detectate concentrații scăzute de toluen în medii curate, cum ar fi hipolimnia anaerobă a lacurilor [11], care provine din degradarea fenilalaninei de către mai multe specii de bacterii anaerobe. Aceste bacterii oxidează mai întâi fenilalanina în fenilacetat, care este apoi decarboxilat [12, 13]. Chiar și formarea biologică a naftalinei a fost raportată recent la unele specii de plante și animale [14].

Catabolismul hidrocarburilor a fost mult timp considerat un proces strict dependent de oxigen. Organismele aerobe obișnuite care utilizează hidrocarburi se găsesc printre ciuperci și bacterii. Aceste microorganisme sunt capabile să metabolizeze practic toate hidrocarburile formate în mod natural și o gamă largă de hidrocarburi produse industrial. În organismele aerobe, atacul inițial al hidrocarburilor necesită întotdeauna oxigen molecular ca co-substrat. Primele enzime din căile metabolice ale alcanilor sunt monooxigenazele, în timp ce hidrocarburile aromatice sunt atacate fie de monooxigenaze, fie de dioxigenaze. Aceste enzime încorporează grupări hidroxil, derivate din oxigenul molecular, în lanțul alifatic sau în inelul aromatic. Alcoolii formați din hidrocarburi alifatice sunt apoi oxidați la acizii corespunzători, compușii fenolici generați prin hidroxilarea inelului hidrocarburilor aromatice sunt precursori direcți pentru scindarea inelului oxidativ (ultima revizuire în [15]).

După cum sa demonstrat pe parcursul ultimului deceniu de cercetare microbiologică, anumite microorganisme sunt, de asemenea, capabile să catabolizeze compușii de hidrocarburi în condiții anaerobe. Hidrocarburile care pot fi degradate anaerob includ alchene alifatice și alcani cu lungimi de lanț de 6-20 atomi de carbon, alchilbenzeni monociclici, cum ar fi toluen, etilbenzen, propilbenzen, p-cimen, xilen- și etiltoluen-izomeri, precum și benzen și naftalenă. Unele hidrocarburi care sunt degradate anaerob de culturi bacteriene pure sunt prezentate în Fig. 1. Evident, bacteriile capabile de această capacitate metabolică trebuie să fi dezvoltat reacții alternative, independente de oxigen pentru atacul inițial al substraturilor lor de hidrocarburi. Niciun organism care să mineralizeze hidrocarburile care conțin mai puțin de șase atomi de C în mod anaerob nu a fost încă descoperit.

Structuri ale unor hidrocarburi care sunt metabolizate anaerob prin culturi bacteriene pure.


Analiza proteomică a căilor catabolice aromatice în Geobacillus thermodenitrificans termofil NG80-2

Geobacillus thermodenitrificans NG80-2 este o bacterie termofilă de degradare a petrolului brut izolată dintr-un rezervor de petrol din China. În acest studiu, au fost confirmate grupurile de gene și căile de degradare a benzoatului (prin benzoil-CoA), fenilacetatului (prin fenilacetil-CoA), 4-hidroxifenilacetatului (prin 3,4-dihidroxifenilacetat) și antranilatului (prin 3-hidroxiantranilat). folosind abordări combinate de analiză in silico și proteomică. S-a observat că sinteza enzimelor care catalizează activarea inițială, oxidarea inelului și reacțiile de scindare a inelului au fost în general induse în mod specific de substraturile lor respective, în timp ce multe dintre enzimele care catalizează reacțiile din aval au prezentat specificități mai largi de substrat. Au fost propuse gene noi care codifică benzoil-CoA epoxidază și 3,4-dihidroxifenilacetat 2,3-dioxigenază și un omolog paaX care servește ca un regulator pozitiv al degradării benzoatului. Reglarea în jos a căii de glicoliză, împreună cu reglarea în sus a căii de gluconeogeneză și bypass-ul glioxilatului (fenilacetat) au fost detectate în asociere cu utilizarea aromaticelor. Această nouă abordare proteomică a confirmat prezența unor căi metabolice multiple pentru compușii aromatici în NG80-2, ceea ce este foarte avantajos pentru supraviețuirea acestei bacterii termofile în condiții de rezervor.


Spre biologia sistemelor orientate spre habitat a „Aromatoleum aromaticum” EbN1

Betaproteobacteria denitrificatoare”Aromatoleum aromaticum” EbN1 este un organism model bine studiat pentru degradarea anaerobă a compușilor aromatici. După publicarea genomului său în 2005, au fost efectuate studii fiziologic-proteomice cuprinzătoare pentru a deduce înțelegerea funcțională din planul genomic. A fost stabilită o rețea catabolică (85 prezise, ​​65 proteine ​​identificate) pentru degradarea anaerobă a 24 de substraturi aromatice de creștere (inclusiv 11 nou recunoscute). Căile nou elucidate includ pe cele pentru 4-etilfenol și 3-fenilpropanoizi derivate din plante, care implică atribuirea funcțională a mai multor gene paraloge. Reglarea specifică substratului a căilor individuale de degradare periferică este probabil inițiată de detectarea chimică foarte specifică prin intermediul proteinelor senzoriale/reglatoare dedicate, de ex. Se preconizează că trei proteine ​​senzoriale/regulatoare cu o singură componentă dependente de σ 54 vor discrimina între trei substraturi fenolice (fenol, p-crezol și 4-etilfenol) și două sisteme diferite cu două componente se presupune că diferențiază între doi alchilbenzeni (toluen, etilbenzen). Investigațiile în condiții de creștere relevante in situ au evidențiat (a) utilizarea preferată a benzoatului dintr-un amestec cu succinat rezultă din sinteza reprimată a unui C.4Transportorul TRAP de dicarboxilat (b) răspunsul la stresul de solvenți indus de alchilbenzen cuprinde redirecționarea metabolică a acetil-CoA și reducerea echivalentelor la sinteza poli(3-hidroxibutirat), modificarea compoziției membranei celulare și formarea unor sisteme presupuse de eflux de solvenți și (c) ) adaptarea cu mai multe fațete la creșterea lentă include ajustarea cererii de energie pentru întreținere și pregătirea pentru oportunitățile nutriționale viitoare, adică furnizarea de sisteme de absorbție și enzime catabolice pentru mai multe substraturi aromatice, în ciuda absenței acestora. Această bază largă de cunoștințe, luată împreună cu dezvoltarea recentă a unui sistem genetic, va facilita viitoarele studii funcționale, biotehnologice (dehidrogenaze stereospecifice) și reactivarea habitatului („biologia ecosistemelor”) cu „A. aromaticum” EbN1.

Aceasta este o previzualizare a conținutului abonamentului, accesat prin instituția dumneavoastră.