Acetogenese

Acetogenese er en biokemisk proces, der resulterer i dannelsen af eddikesyre (acetat) fra kuldioxid og en elektrondonor (for eksempel molekylært brint , kulilte , myresyre (formiat) ). Denne proces bruges af anaerobe organismer i sekvensen af biokemiske reaktioner af den reduktive acetyl-CoA-vej (Wood-Ljungdahl-vejen). En gruppe af forskellige typer bakterier, der er i stand til acetogenese, kaldes acetogener . Nogle acetogener er i stand til at syntetisere acetat autotrofiskt ud fra kuldioxid og brint [1]. Den totale reaktion af autotrofisk acetatsyntese:

{\mathsf {2CO_{2}+4H_{2}\rightarrow CH_{3}COOH+2H_{2}O))

ΔG°'= -95 kJ/mol

Processen med at opnå acetat af heterotrofe acetogener fra kulhydrater (for eksempel glucose) kaldes homoacetatfermentering :

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

Discovery

I 1932 blev der opdaget organismer, der er i stand til at omdanne molekylært brint og kuldioxid til eddikesyre . Den første art af acetogene bakterier, Clostridium aceticum , blev opdaget i 1936 af Klas Tammo Wieringa ( hollandsk. Klaas Tammo Wieringa , 1891-1980). Den anden art, Moorella thermoacetica , har tiltrukket sig stor interesse for dens evne til at omdanne glucose til 3 molekyler eddikesyre [2] .

Biokemi

Autotrofisk produktion af acetat

Autotrofisk kuldioxidfiksering er udbredt blandt acetogene anaerobe bakterier såsom Acetobacterium woodii , Clostridium aceticum , Moorella thermothermoacetica og Moorella thermoautotrophica [3] . Reducerende ækvivalenter for disse reaktioner opnås ved virkningen af hydrogenaser på H 2 [4] [5] . Acetobacterium woodii har [FeFe]-type cytoplasmatisk hydrogenase [6] . Thioesteren er acetyl-CoA , dannet i sekvensen af reaktioner af Wood-Ljungdahl-vejen [7] :

{\mathsf {2CO_{2}+4H_{2}+CoASH+ATP\rightarrow CH_{3}CO{\text{-}}CoA+3H_{2}O+ADF+Pi}}

som et resultat af to på hinanden følgende reaktioner bliver det til acetat:

Acetyl-CoA + Pi → CoA + acetylphosphat Acetylphosphat + ADP → CH 3 COOH + ATP, ΔG ° = -12,9 kJ/mol

I den første reaktion katalyseret af phosphatacetyltransferase(EC 2.3.1.8), opnås acetylphosphat [8] . Anden reaktion katalyseret af acetatkinase(EC 2.7.2.1), fører til dannelsen af ATP fra ADP. Da det dannede ATP-molekyle forbruges i de første stadier af Wood-Ljungdal-vejen, fører den samlede reaktion ikke til dannelsen af ATP. ATP dannes på grund af natriummembranpotentialet [9] i Acetobacterium woodii . Dette gælder ikke for alle acetogener. Clostridium aceticum og Moorella thermoautotrophica indeholder cytochromer og ser ud til at generere en protongradient i stedet for en natriumiongradient [10] .

Vækst ved hjælp af et-carbon substrater

CO 2 er den endelige elektronacceptor under væksten af acetogener. Vækst på reducerede (med en lav grad af kulstofoxidation) et-kulstofsubstrater afhænger strengt af tilgængeligheden af eksogen CO 2 i miljøet . Yderligere mængder CO 2 er nødvendige for at regenerere de reducerede elektronbærere, og denne regenerering skal ske, før substrat-afledt CO 2 bliver tilgængelig via pyruvat-decarboxylering.

Vækst med kulilte

Under vækst på CO, hvis overordnede reaktion kan beskrives som:

4CO + 2H 2 O -> CH 3 COOH + 2 CO 2

eksogen CO 2 er påkrævet på trods af, at processen genererer et overskud af CO 2 [11] .

CO-dehydrogenasekomplekset i sådanne acetogene bakterier som Acetobacterium woodii og Moorella thermoacetica kan syntetisere acetyl-CoA fra methyltetrahydrofolat og CO [12] [13] [14] [15] .

Vækst med methanol

Væksten af acetogener Moorella thermoacetica og Clostridium formicoaceticum på methanol sker ikke uden tilsætning af CO 2 [16] [17] .

Homoacetatfermentering

Glucose i det første trin omdannes til to pyruvatmolekyler gennem en sekvens af glykolysereaktioner :

glucose + 2 NAD + + 2 ADP + 2 Pi → 2 pyruvat + 2NADH + 2 H + + 2 ATP + 2 H 2 O

På dette stadium opnås 2 ATP-molekyler ved mekanismen for substratphosphorylering .

Pyruvat oxideres derefter og decarboxyleres til acetyl-CoA, CO2 og 4 reducerende ækvivalenter ( ferredoxin ), pyruvat:ferredoxinoxidoreduktase:

pyruvat + KoA + Fd acetyl -CoA-oxid + CO 2 + Fd reduceret

\rightleftharpuner

2 molekyler acetyl-CoA, opnået fra pyruvat, omdannes til to acetatmolekyler:

acetyl-CoA + Pi → CoA + acetylphosphat
acetylphosphat + ADP → CH3COOH + ATP

Denne proces producerer yderligere ATP ved hjælp af en substratphosphoryleringsmekanisme. Otte reducerende ækvivalenter opnået ved glykolyse og oxidativ decarboxylering af pyruvat bruges derefter i Wood-Ljungdal-vejen for at reducere to CO 2 -molekyler til et yderligere (tredje) acetatmolekyle.

Total reaktion:

C6H12O6 → 3 CH3COOH + 4ATP _ _ _

CO 2 -molekylet , der reduceres af Wood-Ljungdal-vejen, kommer overvejende fra en ekstern kilde og ikke fra CO 2 -molekylet dannet i pyruvat-decarboxyleringsreaktionen. I denne forbindelse er det vigtigt yderligere at tilsætte CO 2 (eller carbonater) til vækstmediet, når der dyrkes acetogener i laboratoriet. Denne teknik viser sig ikke at være indlysende, da den ikke er angivet af støkiometrien af metaboliske reaktioner. For eksempel indikerer den støkiometriske omdannelse af sukkerarter (f.eks. glucose eller fructose til acetat (se ovenfor), at CO 2 ikke er nødvendig for acetogenese. Vækst på sukkerarter kan forringes betydeligt i fravær af yderligere CO 2 [18] [19] [ 20] .

Ansøgning

Den unikke metabolisme af acetogener har bioteknologiske anvendelser. Ved fermentering af kulhydrater resulterer decarboxyleringsreaktioner i tab af kulstof i form af kuldioxid . Dette tab er et problem, da der er øget efterspørgsel efter at minimere CO 2 -emissioner og behovet for biobrændstofproduktion for at kunne konkurrere med fossile brændstoffer på et monetært grundlag. Acetogener kan fermentere glukose uden dannelse af CO 2 og omdanne det med dannelse af 3 molekyler acetat, hvilket fører til en stigning i det teoretiske udbytte af produktet op til 50 %. Acetogener erstatter ikke glykolyse af en anden metabolisk vej, men inkluderer CO 2 dannet under glykolyse i processen med acetogenese [21] .