Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Путь смешанной кислотной ферментации в E. coli . [1] [2] Конечные продукты выделены синим цветом.

Смешанная кислотная ферментация - это биологический процесс, с помощью которого шестиуглеродный сахар, например глюкоза , превращается в сложную и изменчивую смесь кислот. Это анаэробная реакция брожения , характерная для бактерий. Это характерно для представителей Enterobacteriaceae , большого семейства грамотрицательных бактерий, в которое входит E. coli . [3]

Смесь конечных продуктов, полученная при смешанной кислотной ферментации, включает лактат , ацетат , сукцинат , формиат , этанол и газы H 2 и CO 2 . Образование этих конечных продуктов зависит от наличия в бактерии определенных ключевых ферментов . Пропорция, в которой они образуются, варьируется у разных видов бактерий. [4] Путь смешанной кислотной ферментации отличается от других путей ферментации, которые производят меньше конечных продуктов в фиксированных количествах. Конечные продукты смешанного кислотного брожения могут найти множество полезных применений в биотехнологии и промышленности.. Например, этанол широко используется в качестве биотоплива . [5] Таким образом, в лаборатории были метаболически сконструированы несколько бактериальных штаммов для увеличения индивидуальных выходов определенных конечных продуктов. [2] Это исследование проводилось в основном на E. coli и продолжается.

Смешанное кислотное брожение в E. coli [ править ]

E. coli использует пути ферментации в качестве последнего варианта энергетического метаболизма, поскольку они производят очень мало энергии по сравнению с дыханием. [6] Смешанное кислотное брожение в кишечной палочке происходит в два этапа. Эта стадия описана в биологической базе данных для кишечной палочки , EcoCyc . [1]

Первая из этих двух стадий - реакция гликолиза . В анаэробных условиях происходит реакция гликолиза, при которой глюкоза превращается в пируват :

      глюкоза → 2 пируват

Чистое производство 2 молекул АТФ и 2 НАДН на молекулу превращенной глюкозы. АТФ образуется путем фосфорилирования на уровне субстрата . НАДН образуется в результате восстановления НАД.

На второй стадии пируват, полученный гликолизом, превращается в один или несколько конечных продуктов с помощью следующих реакций. В каждом случае обе молекулы НАДН, образующиеся в результате гликолиза, повторно окисляются до НАД + . Каждый альтернативный путь требует другого ключевого фермента в E. coli . После того, как эти пути образуют различные количества различных конечных продуктов, они секретируются из клетки. [1]

Превращение пирувата в лактат катализируется ферментом лактатдегидрогеназой .

Образование лактата [ править ]

Пируват, образующийся при гликолизе, превращается в лактат . Эта реакция катализируется ферментом лактатдегидрогеназой (LDHA). [1]

      пируват + НАД + Н + → лактат + НАД +

Образование ацетата [ править ]

Пируват превращается в ацетил-кофермент А (ацетил-КоА) ферментом пируватдегидрогеназой . Этот ацетил-КоА затем превращается в ацетат в E. coli , при этом продуцируя АТФ путем фосфорилирования на уровне субстрата . Для образования ацетата необходимы два фермента: фосфатацетилтрансфераза и ацетаткиназа. [1]

Путь смешанного кислотного брожения характерен для семейства Enterobacteriaceae , которое включает E. coli

      ацетил-КоА + фосфат → ацетил-фосфат + КоА

      ацетилфосфат + АДФ → ацетат + АТФ

Образование этанола [ править ]

Этанол образуется в E. coli за счет восстановления ацетилкофермента А с помощью НАДН. Для этой двухступенчатой ​​реакции требуется фермент алкогольдегидрогеназа (ADHE). [1]

      ацетил-КоА + НАДН + Н + → ацетальдегид + НАД + + КоА

      ацетальдегид + НАДН + Н + → этанол + НАД +

Формирование форматов [ править ]

Формиат образуется при расщеплении пирувата. Эта реакция катализируется ферментом пируватформиатлиаза (PFL), который играет важную роль в регулировании анаэробной ферментации в E. coli . [7]

      пируват + КоА → ацетил-КоА + формиат

Образование сукцината [ править ]

Скелетная структура сукцината

Сукцинат образуется в E. coli в несколько этапов.

Фосфоенолпируват (PEP), промежуточный продукт пути гликолиза , карбоксилируется ферментом PEP карбоксилазой с образованием оксалоацетата . [8] За этим следует преобразование оксалоацетата в малат ферментом малатдегидрогеназой . Затем фумаратгидратаза катализирует дегидратацию малата с образованием фумарата . [9]

      фосфоенолпируват + HCO 3 → оксалоацетат + фосфат

      оксалоацетат + НАДН + Н + → малат + НАД +

      малат → фумарат + H 2 0

Конечная реакция образования сукцината - это восстановление фумарата. Это катализируется ферментом фумаратредуктазой .

      фумарат + НАД + Н + → сукцинат + НАД +

Это восстановление является реакцией анаэробного дыхания у E. coli , поскольку оно использует электроны, связанные с НАДН-дегидрогеназой и цепью переноса электронов . АТФ генерируется с помощью электрохимического градиента и АТФ-синтазы . Это единственный случай в пути смешанной кислотной ферментации, когда АТФ не продуцируется посредством фосфорилирования на уровне субстрата. [1] [2]

Витамин К 2 , также известный как менахинон, очень важен для транспорта электронов к фумарату в E. coli . [10]

Образование водорода и углекислого газа [ править ]

Формиат может быть преобразован в газообразный водород и диоксид углерода в E. coli . Для этой реакции необходим фермент формиат-гидрогенлиаза . Его можно использовать для предотвращения слишком кислой среды внутри клетки. [1]

      формиат → H 2 и CO 2

Метиловый красный тест [ править ]

Тест на метиловый красный : Пробирка слева показывает положительный результат, так как конечные кислые продукты образуются в результате смешанной кислотной ферментации в E. coli . Пробирка справа показывает отрицательный результат, поскольку при брожении не образуются кислые продукты.

Тест с метиловым красным (MR) может определить, происходит ли смешанный путь кислотного брожения у микробов при введении глюкозы. Используется индикатор pH, который окрашивает тестовый раствор в красный цвет, если pH падает ниже 4,4. [11] Если процесс ферментации прошел, полученная смесь кислот сделает раствор очень кислым и вызовет изменение цвета на красный.

Тест с метиловым красным относится к группе тестов IMViC .

Метаболическая инженерия [ править ]

Множественные штаммы бактерий были метаболически сконструированы для увеличения индивидуальных выходов конечных продуктов, образованных смешанной кислотной ферментацией. Например, штаммы для увеличенного производства этанола, лактата, сукцината и ацетата были разработаны в связи с полезностью этих продуктов в биотехнологии . [2] Основным ограничивающим фактором для этой инженерии является необходимость поддержания окислительно-восстановительного баланса в смеси кислот, продуцируемых путем ферментации. [12]

Для производства этанола [ править ]

Этанол является наиболее часто используемым биотопливом и может производиться в больших масштабах путем ферментации. Максимальный теоретический выход для производства этанола был достигнут примерно через 20 лет. [13] [14] Ученые использовали плазмиду, несущую гены пируватдекарбоксилазы и алкогольдегидрогеназы из бактерий Z.mobilis . Это было вставлено в E. coli, что привело к увеличению выхода этанола. Геном этого штамма E. coli , KO11, недавно был секвенирован и картирован. [15]

Скелетная формула полилактидной кислоты
Чайные пакетики из полимолочной кислоты (PLA)

Для производства ацетата [ править ]

E.coli , штамм W3110 , был генетически сконструированный для генерации 2 моля ацетата на каждый 1 моль глюкозы , которая подвергается ферментации. Это известно как гомоацетатный путь. [16]

Для производства лактата [ править ]

Лактат можно использовать для производства биопластика под названием полимолочная кислота (PLA). Свойства PLA зависят от соотношения двух оптических изомеров лактата (D-лактата и L-лактата). D-лактат продуцируется смешанной кислотной ферментацией в E. coli. [17] В ранних экспериментах был сконструирован штамм E.coli RR1 для производства одного из двух оптических изомеров лактата. [18]

Более поздние эксперименты модифицировали штамм E. coli КО11, первоначально разработанный для увеличения выработки этанола. Ученые смогли увеличить выход D-лактата от ферментации, выполнив несколько делеций . [19]

Для производства сукцината [ править ]

Увеличение выхода сукцината от смешанной кислотной ферментации сначала было достигнуто за счет сверхэкспрессии фермента PEP карбоксилазы . [20] Это дало выход сукцината, который был примерно в 3 раза больше, чем обычно. Было проведено несколько экспериментов с использованием аналогичного подхода.

Альтернативные подходы изменили окислительно-восстановительный потенциал и баланс АТФ для оптимизации выхода сукцината. [21]

Связанные пути ферментации [ править ]

У микробов есть ряд других путей ферментации. [4] Все эти пути начинаются с преобразования пирувата, но их конечные продукты и ключевые ферменты, которые им необходимы, различны. Эти пути включают:

  • Ферментация этанола
  • Молочнокислое брожение
  • Брожение пропионовой кислоты
  • Ферментация бутанола
  • Бутандиоловое брожение

Внешние ссылки [ править ]

  • Смешанное кислотное брожение
  • EcoCyc Краткое описание ферментации

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h Кеселер, Ингрид М .; и другие. (2011). «EcoCyc: обширная база данных по биологии Escherichia coli» . Исследования нуклеиновых кислот . 39 (выпуск базы данных): D583 – D590. DOI : 10.1093 / NAR / gkq1143 . PMC  3013716 . PMID  21097882 .
  2. ^ a b c d Förster, Андреас Х. и Йоханнес Гешер (2014). «Метаболическая инженерия Escherichia coli для производства конечных продуктов смешанно-кислотного брожения» . Границы биоинженерии и биотехнологии . 2 : 506–508. DOI : 10.3389 / fbioe.2014.00016 . PMC 4126452 . PMID 25152889 .  
  3. ^ M.Magidan & J. Martinko (2006). "Биология микроорганизмов Брока, Нью-Джерси, Пирсон Прентис Холл". 11 : 352. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  4. ^ а б Шарма, PD (2007). «Микробиология»: 104. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  5. ^ Фаррелл, Александр Е .; и другие. (2006). «Этанол может способствовать достижению энергетических и экологических целей». Наука . 311 (5760): 506–508. Bibcode : 2006Sci ... 311..506F . DOI : 10.1126 / science.1121416 . PMID 16439656 . 
  6. ^ Соерс, Р. Гэри; Блокеш, Мелани ; Бёк, август (2004). «Анаэробный формиат и водородный обмен». EcoSal Plus . 1 (1). DOI : 10.1128 / ecosalplus.3.5.4 . PMID 26443350 . 
  7. ^ Knappe, Joachim & Gary Соэрс (1990). «Радикально-химический путь к ацетил-КоА: анаэробно индуцированная пируватформиат-лиазная система Escherichia coli» . Обзоры микробиологии FEMS . 6 (4): 383–398. DOI : 10.1111 / j.1574-6968.1990.tb04108.x . PMID 2248795 . 
  8. ↑ Кай, Ясуси, Хироёси Мацумура и Кацура Идзуи (2003). «Фосфоенолпируваткарбоксилаза: трехмерная структура и молекулярные механизмы». Архивы биохимии и биофизики . 414 (2): 170–179. DOI : 10.1016 / S0003-9861 (03) 00170-X . PMID 12781768 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ^ Таккер, Чандреш; и другие. (2012). «Производство сукцината в кишечной палочке» . Биотехнологический журнал . 7 (2): 213–224. DOI : 10.1002 / biot.201100061 . PMC 3517001 . PMID 21932253 .  
  10. ↑ Гость, ДЖОН Р. (1977). «Биосинтез менахинона: мутанты Escherichia coli K-12, требующие 2-сукцинилбензоата». Журнал бактериологии . 130 (3): 1038–1046.
  11. ^ HT Кларк; WR Кирнер (1922). «Метиловый красный». Орг. Synth. 2 : 47. DOI : 10,15227 / orgsyn.002.0047 .
  12. ^ ван Хук; Милан Дж. А. и Руланд М. Х. Меркс (2012). «Редокс-баланс является ключом к объяснению полного или частичного перехода на низкоэффективный метаболизм» . BMC Системная биология . 6 (1): 22. DOI : 10,1186 / 1752-0509-6-22 . PMC 3384451 . PMID 22443685 .  
  13. ^ Ингрэм, LO; и другие. (1987). «Генная инженерия производства этанола из Escherichia coli». Прикладная и экологическая микробиология . 53:10: 2420–2425.
  14. ^ Охта, Кадзуёси; и другие. (1991). «Генетическое улучшение Escherichia coli для производства этанола: хромосомная интеграция генов Zymomonas mobilis, кодирующих пируват декарбоксилазу и алкогольдегидрогеназу II». Прикладная и экологическая микробиология . 57 (4): 893–900.
  15. ^ Тернер, Питер C .; и другие. (2012). «Оптическое картирование и секвенирование генома Escherichia coli KO11 выявляют обширные хромосомные перестройки и множественные тандемные копии генов Zymomonas mobilis pdc и adhB». Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии . 39 (4): 629–639. DOI : 10.1007 / s10295-011-1052-2 . PMID 22075923 . 
  16. ^ Causey, TB; и другие. (2003). «Разработка метаболизма Escherichia coli W3110 для преобразования сахара в окислительно-восстановительные и окисленные продукты: производство гомоацетата» . Труды Национальной академии наук . 100 (3): 825–832. Bibcode : 2003PNAS..100..825C . DOI : 10.1073 / pnas.0337684100 . PMC 298686 . PMID 12556564 .  
  17. ^ Кларк, Дэвид П. (1989). «Пути ферментации Escherichia coli» . Обзоры микробиологии FEMS . 5 (3): 223–234. DOI : 10.1111 / j.1574-6968.1989.tb03398.x . PMID 2698228 . 
  18. ^ Чанг, Донг-Ын; и другие. (1999). «Гомоферментативное производство d-орл-лактата в метаболически сконструированной Escherichia coli RR1». Прикладная и экологическая микробиология . 65 (4): 1384–1389.
  19. ^ Чжоу, S .; и другие. (2005). «Ферментация 10% (мас. / Об.) Сахара до D (-) - лактата с помощью инженерной Escherichia coli B». Письма о биотехнологии . 27 (23–24): 1891–1896. DOI : 10.1007 / s10529-005-3899-7 . PMID 16328986 . 
  20. ^ Миллард, Синтия Санвилл; и другие. (1996). «Повышенное производство янтарной кислоты за счет сверхэкспрессии фосфоенолпируваткарбоксилазы в Escherichia coli». Прикладная и экологическая микробиология . 62 (5): 1808–1810.
  21. ^ Сингх, Амарджит; и другие. (2011). «Управление окислительно-восстановительным потенциалом и балансировкой АТФ для улучшения производства сукцината в E. coli». Метаболическая инженерия . 13 (1): 76–81. DOI : 10.1016 / j.ymben.2010.10.006 . PMID 21040799 .