Химизм (пропионовокислого брожения)

В пропионовокислом брожении мы имеем дело с карбоксилированием пирувата, приводящим к возникновению нового акцептора водорода — ЩУК (см. «Гетеротрофная ассимиляция углекислоты»). Восстановление пировиноградной кислоты в пропионовую у пропионовокислых бактерий протекает следующим образом (рис. 7). Пировиноградная кислота карбоксилируется в реакции, катализируемой биотинзависимым ферментом, у которого биотин выполняет функцию переносчика СО2. Донором СО2-группы служит метилмалонил-КоA. В результате реакции транс-карбоксилирования образуются ЩУК и пропионил-КоA (рис. 7).

Рис. 7. Превращение пировиноградной кислоты в пропионовую при пропионовокислом брожении:

Ф1 — метилмалонил-КоA-карбоксилтрансфераза; Ф2 — малатдегидрогеназа; Ф3 — фумараза; Ф4 — фумаратредуктаза; Ф5 — КоA-трансфераза; Ф6 — метилмалонил-КоA-мутаза.

Рассмотрим теперь дальнейшую судьбу каждого из двух продуктов реакции, а также вопрос о происхождении одного из субстратов реакции — метилмалонил-КоА. (Основным источником пировиноградной кислоты служит процесс гликолитического расщепления гексоз или окислительные превращения, если в качестве субстрата брожения используют, например, диоксиацетон или глицерин).

Рис. 8. Цикл трикарбоновых кислот и глиоксилатный шунт:

Ф1 — цитратсинтаза (конденсирующий фермент); Ф2 — аконитаза; Ф3 — изоцитратдегидрогеназа; Ф4 — альфа-кетоглутаратдегидрогеназа; Ф5 — сукцилтиокиназа; Ф6 — сукцинатдегидрогеназа; Ф7 — фумараза; Ф8 — малатдегидрогеназа; Ф9 — изоцитратлиаза; Ф10 — малатсинтетаза.

Включение углеродных атомов ацетильного остатка в молекулу лимонной кислоты помечено звездочками. Пунктирными линиями изображены реакции глиоксилатного шунта.

ЩУК в результате трех ферментативных этапов (аналогичных реакциям 6, 7, 8 цикла трикарбоновых кислот, см. рис. 8) превращается в янтарную кислоту:

СООН-СН2-СО-СООН + НАД*Н2 переходит обратимо при участии малатдегидрогеназы в СООН-СН2-СНОН-СООН + НАД+;

СООН-СН2-СНОН-СООН переходит обратимо при участии фумаразы в СООН-СН=СН-СООН + Н2О;

СООН-СН=СН-СООН + ФАД*Н2 переходит обратимо при участии фумаратредуктазы в СООН-СН2-СН2-СООН + ФАД+, где СООН-СН2-СО-СООН — ЩУК, СООН-СН2-СНОН-СООН — яблочная кислота, СООН-СН=СН-СООН — фумаровая кислота и СООН-СН2-СН2-СООН — янтарная кислота.

Следующая реакция заключается в переносе КоA-группы с пропионилКоA на янтарную кислоту (сукцинат), в результате чего образуются сукцинил-КоА и пропионовая кислота :

СООН-СН2-СН2-СООН + СН3-СН2-CO~S-КоA переходит обратимо при участии КоA-трансферазы в СООН-СН2-СН2-CO~S-КоА + СН3-СН2-СООН, где СН3-СН2-CO~S-КоA — пропионил-КоA,.

СООН-СН2-СН2-CO~S-КоA — сукцинил-КоA,.

СН3-СН2-СООН — пропионовая кислота.

Образовавшаяся пропионовая кислота выводится из процесса и накапливается вне клетки. Сукцинил-КоA превращается в метилмалонил-КоA:

СООН-СН2-СН2-CO~S-КоA переходит обратимо при участии метилмалонил-КоA-мутазы в метилмалонил-КоA .

В состав кофермента метилмалонил-КоA-мутазы входит витамин В12. Перегруппировки типа, указанного в приведенном выше уравнении, характерны для реакций, катализируемых ферментами, содержащими витамин В12. В описанной выше реакции происходящие перемещения атомов в молекуле сводятся к двум типам: изменению углерод-углеродных связей и перераспределению водорода между углеродными атомами (рис. 9). Реакция, катализируемая мутазой, — ключевая в пропионовокислом брожении, так как в ней подготавливается субстрат, являющийся предшественником пропионовой кислоты.

Из схемы, представленной на рис. 7, можно видеть, что образование пропионовой кислоты из пировиноградной — результат взаимосвязанного функционирования двух циклов: цикла переноса одноуглеродного фрагмента и цикла переноса кофермента A.

Кофермент A, принимающий активное участие в пропионовокислом брожении, относится к группе мононуклеотидов. Он содержит аденин, D-рибозу, пирофосфатную группу и пептидоподобное соединение, в состав которого входит пантотеновая кислота — еще один витамин группы В. Функция кофермента A заключается в переносе ацильных групп (RCO-). Ацильная форма КоA представляет собой тиоэфир. Тиоэфирная связь, образующаяся между карбоксильной группой кислоты и тиоловой группой КоА, является высокоэнергетической.

Итак, разобранный выше поток реакций приводит к синтезу пропионовой кислоты. Однако пропионовокислое брожение — более сложный процесс, поскольку наряду с пропионовой кислотой в качестве продуктов брожения образуются уксусная, янтарная кислоты и СО2. В схеме, изображенной на рис. 7, янтарная кислота образуется как промежуточное соединение на пути, ведущем к синтезу пропионата; но она может накапливаться в среде и как конечный продукт. К образованию сукцината, количество которого зависит от содержания СО2 в среде, ведет последовательность реакций, начинающаяся с карбоксилирования ФЕП (рис. 10), в которой остаток фосфорной кислоты ФЕП переносится на неорганический фосфат, что приводит к образованию пирофосфата:

ФЕП + СО2 + Фн переходит обратимо в ЩУК + пирофосфат.

Рис. 10. Пути образования янтарной, уксусной кислот и СО2 пропионовыми бактериями:

Ф1 — ФЕП-карбокситрансфосфорилаза; Ф2 — пируватдегидрогеназа; Ф3 — фосфотрансацетилаза; Ф4 — ацетаткиназа.

Дальнейшие превращения ЩУК до янтарной кислоты аналогичны реакциям 2−4, изображенным на рис. 7.

Многие пропионовые бактерии сбраживают глюкозу так, что на каждую молекулу пирувата, окисленную до уксусной кислоты и СО2, приходятся 2 молекулы пирувата, восстановленные до пропионовой кислоты. Путь превращения пирувата, приводящий к образованию уксусной кислоты и СО2, представлен на рис. 10. На этом пути имеют место окислительновосстановительные реакции, идущие с вовлечением новых молекул НАД+. Пируват подвергается окислительному декарбоксилированию с участием кофермента A:

СН3-СО-СООН + НАД+ + КоA-SH переходит при участии пируватдегидрогеназы в СН3-СО~S-КоA + СО2 + НАД*Н2, где СН3-СО~S-КоA — ацетил-КоA.

Процесс катализируется пируватдегидрогеназным комплексом и практически необратим. В результате образуется ацетил-КоА, содержащий высокоэнергетическую тиоэфирную связь, ацетильная группа с которого переносится на неорганический фосфат, что приводит к образованию ацетилфосфата и регенерированию кофермента А:

СН3-СО~S-КоA + Фн переходит обратимо в СН3СО~Ф + КоA-SH.

В этой реакции энергия, заключенная в тиоэфирной связи, реализуется в виде высокоэнергетической фосфатной связи ацетилфосфата.

И наконец, ацетилфосфат донирует фосфатную группу на АДФ с образованием АТФ и уксусной кислоты :

СН3-СО-О~Ф + АДФ переходит обратимо при участии ацетаткиназы в АТФ + СН3-СООН, где СН3-СООН — ацетат.

Итак, на участке от пирувата до ацетата образуется 1 молекула НАД*Н2 и 1 молекула АТФ. Энергетическое значение для пропионовых бактерий этого участка метаболического пути очевидно и не требует обсуждения.

Кроме основных продуктов в разных количествах в культуральной жидкости пропионовых бактерий обнаружены молочная, муравьиная, изовалериановая кислоты, этиловый и пропиловый спирты, уксусный и пропионовый альдегиды, ацетоин, диацетил. Состав конечных продуктов брожения зависит от культуры бактерий, состава среды и условий культивирования. Это касается как видов накапливаемых продуктов, так и количественных соотношений между ними.