Ацетогенез

Ацетогенез — биохимический процесс, в результате которого из диоксида углерода и донора электронов (например, молекулярного водорода, угарного газа, муравьиной кислоты (формиата)) образуется уксусная кислота (ацетат). Данный процесс используют анаэробные организмы в последовательности биохимических реакций восстановительного ацетил-КoA пути (путь Вуда — Льюнгдаля). Группа различных видов бактерий, способных к ацетогенезу, называется ацетогенами. Некоторые ацетогены способны синтезировать ацетат автотрофно из диоксида углерода и водорода^[1]. Суммарная реакция автотрофного синтеза ацетата:

${\displaystyle {\mathsf {2CO_{2}+4H_{2}\rightarrow CH_{3}COOH+2H_{2}O}}}$ ΔG°'= -95 кДж/моль

Процесс получения ацетата гетеротрофными ацетогенами из углеводов (например, глюкозы), получил название гомоацетатного брожения:

${\displaystyle {\mathsf {C_{6}H_{12}O_{6}\rightarrow 3CH_{3}COOH}}}$

Открытие

В 1932 году были открыты организмы, которые способные конвертировать молекулярный водород и углекислый газ в уксусную кислоту. Первый вид ацетогенных бактерий, Clostridium aceticum, был открыт в 1936 году Класом Таммо Вирингой (нидерл. Klaas Tammo Wieringa, 1891—1980). Второй вид, Moorella thermoacetica, привлек большой интерес за способность конвертировать глюкозу до 3 молекул уксусной кислоты^[2].

Биохимия

Автотрофное образование ацетата

Автотрофная фиксация углекислого газа широко распространена среди ацетогенных анаэробных бактерий, таких как Acetobacterium woodii, Clostridium aceticum, Moorella thermothermoacetica и Moorella thermoautotrophica^[3]. Восстановительные эквиваленты для осуществления этих реакций получаются при действии гидрогеназ на H₂^[4][5]. Acetobacterium woodii имеет цитоплазматическую гидрогеназу [FeFe]-типа^[6]. Тиоэфир — ацетил-КоА, образовавшийся в последовательности реакций пути Вуда — Льюнгдаля^[7]:

${\displaystyle {\mathsf {2CO_{2}+4H_{2}+HS{\text{-}}CoA+ATP\rightarrow Acetyl{\text{-}}CoA+3H_{2}O+ADP+P_{i}}}}$

в результате двух последовательных реакций превращается в ацетат:

Ацетил-КоА + Pi → КоА + ацетилфосфат

Ацетилфосфат + АДФ → CH₃COOH + АТФ, ΔG°= -12,9 кДж/моль

В первой реакции, катализируемой фосфатацетилтрансферазой^[англ.] (ЕС 2.3.1.8), получается ацетилфосфат^[8]. Вторая реакция, катализируемая ацетаткиназой^[англ.] (ЕС 2.7.2.1), приводит к образованию АТФ из АДФ. Так как образованная молекула АТФ потребляется на первых стадиях пути Вуда — Льюнгдаля, то суммарная реакция не приводит к образованию АТФ. АТФ образуется за счет натриевого мембранного потенциала^[9] у Acetobacterium woodii. Это справедливо не для всех ацетогенов. Clostridium aceticum и Moorella thermoautotrophica содержат цитохромы и, по-видимому, генерируют протонный градиент вместо градиента ионов натрия^[10].

Рост с использованием одноуглеродных субстратов

CO₂ является конечным акцептором электронов при росте ацетогенов. Рост на восстановленных (с низкой степенью окисления углерода) одноуглеродных субстратах строго зависит от доступности в среде экзогенного СО₂. Дополнительные количества CO₂ требуются для регенерации восстановленных переносчиков электронов, и эта регенерация должна произойти до того, как полученный из субстрата CO₂ станет доступным через декарбоксилирование пирувата.

Рост с использованием монооксида углерода

В процессе роста на СО, суммарная реакция которого может быть описана как:

4СO + 2H₂O –> CH₃COOH + 2CO₂

требуется экзогенный СО₂, несмотря что процесс генерирует избыток СО₂^[11].

СО-дегидрогеназный комплекс в таких ацетогенных бактериях как Acetobacterium woodii и Moorella thermoacetica может синтезировать ацетил-КоА из метилтетрагидрофолата и СО^{[12][13][14][15]}.

Рост с использованием метанола

Рост ацетогенов Moorella thermoacetica и Clostridium formicoaceticum на метаноле не идет без добавления СО₂^[16][17].

Гомоацетатное брожение

Глюкоза на первом этапе конвертируется до двух молекул пирувата через последовательность реакций гликолиза:

глюкоза + 2НАД⁺ + 2АДФ + 2Pi → 2 пируват + 2НАДH + 2Н⁺ + 2АТФ + 2Н₂O

На этом этапе получается 2 молекулы АТФ по механизму субстратного фосфорилирования.

Пируват затем окисляется и декарбоксилируется до ацетил-КоА, СО₂ и 4 восстановительных эквивалентов (ферредоксин), пируват:ферредоксин оксидоредуктазой^[англ.]:

пируват + КoA + Фд_окисл ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ ацетил-КoA + CO₂ + Фд_восст

2 молекулы ацетил-КоА, получившихся из пирувата, конвертируются до двух молекул ацетата:

ацетил-КоА + Pi → КоА + ацетилфосфат

ацетилфосфат + АДФ → CH₃COOH + АТФ

Этот процесс дает дополнительную АТФ по механизму субстратного фосфорилирования. Восемь восстановительных эквивалентов, полученных при гликолизе и при окислительном декарбоксилировании пирувата, используются затем в пути Вуда — Льюнгдаля для восстановления двух молекул СО₂ до добавочной (третьей) молекулы ацетата.

Суммарная реакция:

С₆Н₁₂О₆ → 3 CH₃COOH + 4АТФ

Молекула СО₂, которая восстанавливается по пути Вуда — Льюнгдаля преимущественно происходит из внешнего источника, а не из молекулы СО₂, образуемой в реакции декарбоксилирования пирувата. В связи с этим важно дополнительно добавлять CO₂ (или карбонаты) в ростовую среду при культивировании ацетогенов в лаборатории. Этот приём оказывается неочевидным, так как на него не указывает стехиометрия метаболических реакций. Например, стехиометрическое превращение сахаров (например, глюкозы или фруктозы в ацетат (см. выше) указывает на то, что CO₂ не требуется для ацетогенеза. Рост на сахарах может быть значительно нарушен в отсутствие дополнительных количеств СО₂^[18][19][20].

Применение

Уникальный обмен веществ ацетогенов имеет биотехнологическое применение. При брожении углеводов реакции декарбоксилирования приводят к потере углерода в виде диоксида углерода. Эта потеря является проблемой, так как предъявляются повышенные требования к минимизации выбросов CO₂, а также нужно, чтобы производство биотоплива успешно конкурировало с ископаемым топливом по денежной стоимости. Ацетогены могут ферментировать глюкозу без образования CO₂ и конвертировать его с образованием 3 молекул ацетата, что приводит к увеличению теоретического выхода продукта до 50 %. Ацетогены не замещают гликолиз другим метаболическим путем, но включают CO₂, образующийся при гликолизе, в процесс ацетогенеза^[21].