Microbiology

Растения синтезируют много соединений, содержащих ароматические кольца. Из них в количественном отношении преобладает лигнин, со ставляющий 20% (по весу) древесины. Способность расщеплять такие соединения с разрывом ароматического кольца обладают многие бакте рии и грибы. Некоторые псевдомонады растут на среде, содержащей бензоат, быстрее, чем на среде с сахарами. Для быстрого расщепления ароматических веществ необходимо присутствие молекулярного кисло рода. Пути такого расщепления мы рассмотрим в этом разделе^ Соглас но новейшим данным, ароматические соединения могут подвергаться также анаэробному разложению, но мы не будем описывать его мета болические механизмы.

Подготовка к расщеплению кольца. Большинство природных арома тических соединений расщепляется бактериями сначала до пирокатехина (катехола) или протокатеховой кислоты. Расщеплению допирокатехина подвергаются многие соединения, у которых в ароматическом кольце имеется либо один заместитель, либо два заместителя в положе ниях 1 и 2, т.е. такие вещества, как миндальная кислота, фенилаланин, толуол, бензол, фенол, бензойная и салициловая кислоты.

Ароматические вещества с двумя заместителями в положениях 1,3 или 1,4, а также с большим числом замещающих групп (например, 4-ги-дроксибензойная, хинная, ванильная и шикимовая кислоты) расще­пляются с образованием протокатеховой кислоты. Во всех случаях в кольцо вводятся гидроксигруппы. Атомы кислорода для гидрокси-групп доставляет молекулярный кислород. В случае нефенольных аро­матических веществ необходимая для разрыва кольца 1,2-дигидрокси-бензольная  структура  создается  путем  двойного   гидроксилирования.

Например, незамещенное кольцо бензола подвергается гидроксилирова-нию с помощью диоксигеназы (двойной гидроксилазы) до цис-1,2-диги-дро-1,2-дигидроксибензола, а затем дегидрируется (реароматизируется) с образованием пирокатехина.

Фенольные ароматические соединения гидроксилируются моноокси-геназами. Один атом О молекулярного кислорода включается в суб страт, а другой восстанавливается до воды. Донорами водорода могут служить пиридиннуклеотиды.

Заместители в ароматическом кольце часто (но не всегда) отще пляются до разрыва кольца. Например, атомы хлора, нитрогруппы и сульфогруппы могут быть заменены на гидроксильные группы. Али фатические боковые цепи могут изменяться и укорачиваться самым раз личным образом или же остаются без изменений.

Разрыв кольца. Разрыв ароматического кольца осуществляют диок сигеназы. При этом в субстрат включается молекулярный кислород. Разрыв происходит либо между двумя соседними гидроксильными группами, либо между гидроксилированным углеродом и соседним не-гидроксилированным. Из участвующих в процессе ферментов лучше всего изучены ферменты, выделенные из разных видов Pseudomonas. На рис. 14.10 показаны наиболее важные типы разрыва ароматического кольца.

Орто-расщепление. Разрыв кольца между двумя соседними гидрокси-лированными атомами С (орто-расщепление, или интрадиольное расще пление) приводит к образованию дикарбоновой кислоты. По-видимому, сначала происходит присоединение молекулы 0₂ к гидроксильным группам соседних атомов углерода с образованием циклической переки си, а затем в результате внутримолекулярной перегруппировки меж углеродная связь разрывается и образуется 1^ис,цис-муконовая кислота:

Пирокатехин расщепляется с помощью opmo-пирокатехазы (кате-хол-1,2-диоксигеназы), а протокатеховая кислота-при участии протока-техат-3,4-диоксигеназы. Образующиеся при этом промежуточные про дукты -цис,цис-муконоъа.я кислота и 3-карбокси-цис,^ис-муконовая кис лота-в ходе дальнейшего катаболизма проходят через этап общего для них обоих продукта - 3-оксоадипиновой кислоты. Последняя активи руется СоА-трансферазой и расщепляется с образованием сукцинил-СоА и ацетил-СоА, которые подвергаются дальнейшим превращениям в Ходе промежуточного обмена (рис. 14.10).

Mema-расщепление. Разрыв ароматического кольца между гидрокси-лированным и негидроксилированным атомами углерода (мета-расще пление, или экстрадиольное расщепление) тоже катализируется диокси-геназами. Продукты расщепления в этом случае - полуальдегиды 2-гидроксимуконовой кислоты (рис. 14.11), которые затем превращают ся (в зависимости от замещений) в пируват, ацетальдегид, оксалоацетат, фумарат, ацетоацетат, сукцинат или иные промежуточные продукты, во влекаемые в промежуточный метаболизм.

Проведенные исследования показали, что пути распада ароматиче ских соединений чрезвычайно разнообразны. Варьировать могут и стадии, предшествующие их расщеплению, и характер самого расщепления. У некоторых бактерий даже от фазы и условий роста зависит, будут ли образовываться в клетках ферменты орто- или мета-расщепления. Не которые псевдомонады расщепляют ароматические соединения, под вергшиеся распаду до пирокатехина, по opmo-пути, а расщепленные до протокатеховой кислоты-по мета-пути.

Конвергентные пути распада. В расщеплении ароматических соедине ний участвует достаточно большое число различных реакций. Разные пути распада в конце концов сходятся (конвергируют), приводя к обра­зованию либо пирокатехина, либо протокатеховой кислоты (рис. 14.12 и 14.13). Поэтому на примере распада ароматических соединений можно изучать регуляцию конвергирующих  путей катоболизма.

Нафталин, антрацен и другие полиароматические соединения. Некоторые бактерии способны расщеплять полициклические углеводороды, из которых мы упомянем лишь нафталин, антрацен и фенантрен. Если выращивать бактерии на среде, содержащей одно из этих соединений, то можно часто наблюдать выделение в культуральную жидкость сали циловой кислоты; по-видимому, здесь происходят превращения, уже рассмотренные выше на примере расщепления моноциклических соеди нений (рис. 14.13).

Подводя итоги, можно сказать, что природные углеводороды ча стично   или   полностью   окисляются  микроорганизмами.   При   благо приятных условиях даже асфальт подвергается разложению, хотя и очень медленно. В почве, населенной микроорганизмами, окисляется даже графит.

Загрязнение среды нефтью. В случае загрязнения почвы нефтью сле дует учесть, что в нестерильных аэрируемых почвах углеводороды бы стро и полностью разлагаются. Только при сильном загрязнении и в отсутствие доступа воздуха или в тех случаях, когда нефть проникает в почву на большую глубину, возникает опасность, что она будет долго сохраняться здесь и в конце концов попадет в питьевую воду. Нефть, разлившаяся по поверхности моря, вначале представляет большую опасность для флоры и фауны, но затем тоже разлагается бактериями. При этом, однако, остаются алканы с длинной цепью, полиароматиче ские углеводороды и смеси веществ, напоминающие асфальт; все эти вещества долгое время не поддаются биологическому воздействию.

Чужеродные вещества. Чужеродные вещества (ксенобиотики), в осо бенности различные ядохимикаты (фунгициды, гербициды, инсектициды и нематоциды), после обработки ими почвы могут накапливаться в ней, так как при этом не развиваются микроорганизмы, способные разла гать и «обезвреживать» эти вещества.

Ароматические соединения с такими заместителями в кольце, как га логены, сульфогруппы и нитрогруппы, разлагаются крайне медленно и могут противостоять воздействию микробов на протяжении многих лет. Одно из самых стойких веществ-дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ). Неопасны, но, видимо, совершенно не поддаются микробному разложению пластмассы типа полиэтилена, полипропилена и т.п. Со держащиеся в них пластификаторы постепенно окисляются, но поли мерный скелет остается.

Кометаболизм. По-видимому, некоторые соединения расщепляются микроорганизмами только совместно с хорошо утилизируемыми суб стратами. Такое превращение какого-либо вещества, которое само по себе не может быть использовано, в присутствии так называемого ко-субстрата, т.е. вещества, используемого клетками для роста, получило название кометаболизма или соокисления. Явление кометаболизма мо жет быть полезно, например, при очистке промышленных сточных вод, содержащих плохо поддающиеся разложению синтетические продукты, вместе со сточными водами из населенных пунктов в тех же самых во доочистных сооружениях.