Methanogenese , biosyntese af metan er processen med metandannelse af anaerobe arkæer , kombineret med deres energiproduktion. Der er tre typer methanogenese:
Samtidig lagres energi i form af et natrium- eller protontransmembranpotentiale og omdannes af ATP-syntaser til kemiske (bindinger i ATP -molekylet ). I forhold til methanogeneseprocessen bruges begreberne carbonatrespiration eller methanfermentering nogle gange . Da der ikke er nogen reaktioner af substratphosphorylering i methanogenese-reaktioner , der er karakteristiske for fermenteringsprocesser , og proton- eller natriumgradienten på membranen dannes på grund af membranenzymer, der ikke indgår i den respiratoriske elektrontransportkæde , er disse udtryk ikke helt nøjagtige for deres ansøgning.
Methanogenese spiller en vigtig rolle i naturen, idet den er den vigtigste kilde til metan i jordens atmosfære . Brugt af mennesker til at producere biogas .
Reaktioner af methanogenese | ΔG 0' [kJ/mol CH 4 ] [1] | organismer |
Autotrofisk produktion af metan | ||
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O | −135 | De fleste methanogener |
4 HCOOH → CH 4 + 3 CO 2 + 2 H 2 O | -130 | mange hydrogenotrofe methanogener |
CO 2 + 4 CH 3 (CH 3 ) CH-OH → CH 4 + 4 CH 3 (CH 3 ) C=0 + 2 H 2 O | −37 | nogle hydrogenotrofe methanogener |
4 CO + 2 H 2 O → CH 4 + 3 CO 2 | −196 | Methanothermobacter og Methanosarcina |
Methylotrofisk variant (fra forbindelser indeholdende en C1-gruppe) | ||
4 CH 3 OH → 3 CH 4 + CO 2 + 2 H 2 O | −105 | Methanosarcina og andre methylotrofe methanogener |
CH 3 OH + H 2 → CH 4 + H 2 O | −113 | Methanomicrococcus blatticola og Methanosphaera stadtmanae |
4 (СH 3 ) SH + 2H 2 O → 3CH 4 + CO 2 + 4H 2 S | ||
2 (CH 3 ) 2 S + 2 H 2 O → 3 CH 4 + CO 2 + 2 H 2 S | −49 | nogle methylotrofe methanogener |
4 CH 3 NH 2 + 2 H 2 O → 3 CH 4 + CO 2 + 4 NH 3 | −75 | nogle methylotrofe methanogener |
2 (CH 3 ) 2 NH + 2 H 2 O → 3 CH 4 + CO 2 + 2 NH 3 | −73 | nogle methylotrofe methanogener |
4 (CH 3 ) 3 N + 6 H 2 O → 9 CH 4 + 3 CO 2 + 4 NH 3 | −74 | nogle methylotrofe methanogener |
( CH3 ) 4N _OH + H2O → 3CH4 + CO2 + NH3 | ||
4 CH 3 NH 3 Cl + 2 H 2 O → 3 CH 4 + CO 2 + 4 NH 4 Cl | −74 | nogle methylotrofe methanogener |
med N-methylerede aminer med en C2-sidekæde | ||
4 (CH 3 ) 3 N + CH 2 CH 2 OH + 6 H 2 O → 4 H 2 NCH 2 CH 2 OH + 9 CH 4 + 3 CO 2 + 4 H + | −63 [2] | noget Methanosarcina |
2 (CH 3 ) 2 NCH 2 CH 2 OH + 2 H 2 O → 2 H 2 NCH 2 CH 2 OH + 3 CH 4 + 3 CO 2 | −47 [2] | noget Methanosarcina |
4 (CH 3 ) 3 N + CH 2 COO - + 2 H 2 O → 4 (CH 3 ) 2 NH + CH 2 COO - + 3 CH 4 + CO 2 | −240 [3] | noget Methanosarcina |
Acetoklastisk methanogenese | ||
CH 3 COOH → CH 4 + CO 2 | −33 | Methanosarcina og Methanosaeta |
Specifikke coenzymer deltager i methanogeneseprocessen : bærere af methyl-C1 - gruppen ( methanofuran (MF), 5,6,7,8-tetrahydromethanopterin (H 4 MP) og coenzym M (2-mercaptoetansulfonat, CoM)) og elektronbærere ( F420 (5-deazaflafin) F430 , coenzym B ( 7-mercapto-heptanoyl-threoninphosphat, CoB)) og methanophenazin (MP) . H 4 MP og methanofuran findes i methylotrofe bakterier , H 4 MP, F 420 og coenzym M ligner coenzymer fundet i bakterier og eukaryoter, F 430 og coenzym B har ingen analoger i andre organismer. Analoger af H 4 MP, methanofuran og CoM i eubakterier og eukaryoter er tetrahydrofolat og S-adenosylmethionin . Tilstedeværelsen af unikke cofaktorer i methanogene archaea ligger til grund for en af hypoteserne om deres separate evolution. Tilstedeværelsen af arkabakterielle coenzymer i eubakterier er bevis for nylig horisontal genoverførsel .
Processen med reduktion af kuldioxid til metan er den bedst undersøgte.
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O _ Hydrogenotrofe methanogener uden cytokromerDe fleste methanogener bruger brint som reduktionsmiddel [1] . Sådanne methanogener kaldes hydrogenoxiderende eller hydrogenotrofe . Obligate hydrogenotrofer omfatter familierne Methanopyrales , Methanobacteriales , Methanococcales og Methanomicrobiales . En undtagelse blandt Methanomicrobiales er Methanosphaera stadtmanae , som lever i menneskets fordøjelseskanal. Den bruger methanol og brint som substrater til methanogenese, da den ikke kan bruge CO 2 [4] .
Autotrofe methanogener, i modsætning til Methanosarcinales- familien , indeholder ikke cytochromer og har ikke en funktionel analog af quinoner - methanophenazin [5] . Aftotrofiske methanogener opnår energi ved hjælp af kemiosmose , men uden hjælp fra quinoner eller cytochromer og deres analoger. Dyrk kun på H 2 + CO 2 eller myresyre og kan ikke bruge methylerede forbindelser eller acetat. Samtidig er det tilstrækkeligt for dem at vokse, hvis partialtrykket af H 2 er mindre end 10 Pa, for at udføre methanogenese. Deres cellefordoblingsperiode er mindre end en time. Blandt methanogener uden cytokromer er der mange hypertermofile arter.
Methanogeneseprocessen begynder med aktivering fra CO2 af den unikke cofaktor methanofuran, hvilket fører til dannelsen af N-carboxymetanofuran, et ustabilt mellemprodukt, som reduceres til den stabile forbindelse N-formylmetanofuran. Denne reaktion kræver et reduktionsmiddel i form af reduceret ferredoxin . De elektroner, der er nødvendige for denne reduktionsreaktion, forsynes af brint under oxidation. Alternativt kan de tilføres af formiat, når de oxideres af formiatdehydrogenase til CO 2 . Da dannelsen af N-formylmetanofuran er en endergonisk reaktion, er den nødvendige energi af membranens elektrokemiske ioniske gradient involveret [6] . Formylgruppen overføres derefter til en anden cofaktor, tetrahydromethanopterin, der strukturelt ligner andre organismers tetrahydrofolat . Derefter dehydreres formylgruppen knyttet til tetrahydromethanopterin og reduceres gradvist til N5, N10 -methenyl-H4MPT , N5, N10 - methylen - H4MPT og N5 , N10 - methyl - H4MPT eller molekylær brint, eller med deltagelse af F 420 [7] . Denne proces er fuldstændig reversibel og kan udføres omvendt. Oxideret F 420 regenereres af jern-nikkel F 420 - afhængig hydrogenase (EC 1.12.98.1).
Derefter overføres den resulterende methylgruppe til coenzym M under anvendelse af membranproteinet methyltetrahydromethanopterin:coenzym M-methyltransferase (EC 2.1.1.86). Methyltransferase er et membranbundet protein. Overførslen af en methylgruppe fra methyl-H 4 MP til coenzym M er en eksergonisk reaktion (ΔG 0 '= -29 kJ/mol) [6] ). Methanogener bruger den frigivne energi til at eksportere omkring to natriumioner fra cellen. Som et resultat dannes en membrangradient af natriumioner, som bruges til syntese af ATP. Methyl-S-CoM reduceres af coenzym B til methan med deltagelse af methyl-CoM-reduktase med dannelse af methan, samt heterodisulfid af coenzymer B og M. Dette er en nøglereaktion i syntesen af metan. Methyl-CoM-reduktase indeholder cofaktoren F 430 . De sidste to reaktioner er irreversible.
Autotrofe methanogener har i modsætning til andre methanogener hverken methanophenazin eller membranbundet heterodisulfidreduktase [8] . For at reducere heterodisulfid bruger de cytoplasmatisk heterodisulfidreduktase, som på grund af energien fra hydrogenoxidationsreaktionen også genopretter ferredoxin ved elektronbifurkationsmekanismen . Funktionen af det cytoplasmatiske enzym er ikke forbundet med skabelsen af en proton-motorkraft. Derfor kan cytochrom-fri methanogener kun bruge natriumgradienten skabt af methyltransferase. Autotrofe methanogener kræver tilstedeværelsen af natriumioner for vækst, da denne kation bruges i energilagringsmekanismen.
N5 , N10 - methyl- H4MPT tjener som et forgreningspunkt mellem methanogeneseprocessen og syntesen af acetyl-CoA i methanogener. Under syntesen af acetyl-CoA overføres methylgruppen af methyltetrahydromethanopterin:coenzym M-methyltransferase homolog (EC 2.1.1.86), enzymet 5-methyltetrahydrofolat:corrinoid/jern-svovlprotein methyltransferase (EC 2.1.1.258). Denne methylgruppe reagerer derefter med en CO-gruppe dannet af anaerob CO-dehydrogenase (EC 1.2.7.4) for at producere acetyl-CoA. Acetyl-CoA bruges til at syntetisere kulhydrater.
Nummer
reaktioner |
Enzym | Kode KF | katalyseret reaktion |
---|---|---|---|
en | formylmetanofuran:ferredoxinoxidoreduktase | 1.2.7.12 | CO 2 + 2PD gendannelse. + methanofuran \u003d formylmetanofuran + H 2 O + 2 Fd oxid. |
2 | formylmetanofuran:tetrahydromethanopterinformyltransferase | 2.3.1.101 | formylmetanofuran + H 4 MP = formyl-H 4 MP + methanofuran |
3 | methenyl-tetrahydromethanopterin-cyclohydrolase | 3.5.4.27 | formyl-H 4 MP = methenyl-H 4 MP + H 2 O |
fire | H2- afhængig methylentetrahydromethanopterindehydrogenase | 1.12.98.2 | methenyl-H 4 MP + H 2 \u003d H + + methylen-H 4 MP |
5 | F 420 - afhængig methylen-tetrahydromethanopterin-reduktase | 1.5.98.2 | methylen-H 4 MP + F 420 H 2 = methyl-H 4 MP + F 420 |
6 | methyl-tetrahydromethanopterin: coenzym M methyltransferase | 2.1.1.86 | methyl-H 4 MP + HSCoM + Na + int = H 4 MP + methyl-SCoM + Na + ext. |
7 | methyl-coenzym M-reduktase | 2.8.4.1 | methyl-SCoM + HSCoB = CoM-SS-CoB + CH 4 |
otte | cytoplasmatisk H2 : CoB-CoM heterodisulfid, ferredoxinreduktase (H2- afhængig ) | 1.8.98.5 | 2H 2 + CoM-SS-CoB + 2Pd gendannelse. = 2H + + HSCoM + HSCoB + 2 Phd-oxid . |
9 | F420 - afhængig hydrogenase | 1.12.98.1 | H2 + F 420 = F 420 H2 |
Myresyre eller dens anion, formiat (HCOO- ) kan bruges af omkring halvdelen af alle methanogener som et substrat [9] . I modsætning til kuldioxid overføres det ikke direkte til methanofuran, men oxideres først af formiatdehydrogenase til kuldioxid. Enzymet indeholder molybdæn- og jern-svovl-klynger og er allerede blevet isoleret fra for eksempel Methanobacterium formicicium og Methanococcus vannielii . F 420 reduceres samtidig i reaktionen . Kuldioxiden reduceres derefter til methan som beskrevet ovenfor.
Hvad angår den trinvise reduktion af CO 2 til metan, kræver dette reduktionsmidler. Derfor kræver brugen af formiat i methanogenese i alt otte elektroner. Dette er tilvejebragt ved oxidation af fire molekyler myresyre til kuldioxid. Tre molekyler frigives, og et reduceres til metan. Slutprocesligning:
Methanogener af ordenen Methanosarcinales indeholder cytochromer og methanophenazin , i modsætning til andre rækker af methanogene bakterier. Methanophenazin er den universelle elektrontransportør i membranen af disse methanogener og erstatter quinon der , som kræves i andre organismer til elektrontransport i åndedrætskæden . Methanosarcinales er de mest alsidige methanogener, de kan bruge meget forskellige forbindelser til vækst.
Autotrofisk methanogeneseDe kan også bruge en blanding af H 2 + CO 2 , men i modsætning til autotrofe methanogener skal brintpartialtrykket være over 10 Pa. Methanogener med cytokromer vokser langsomt, hastigheden for deres deling er mere end 10 timer pr. celledeling. Hidtil er der ikke fundet repræsentanter for methanogener med cytochromer, der vokser under hypertermofile forhold. Dette skyldes ustabiliteten af cytochromer ved høje temperaturer. Methanosarciner kan heller ikke bruge myresyre.
Methylotrofisk methanogeneseMange methanosarciner vokser på acetat og methylerede forbindelser såsom methanol , methylaminer ( mono- , di- , trimethylamin ), methylthioler ( dimethylsulfid , methanthiol ) [9] .
N-methylerede aminer med en side C 2 carbongruppe kan også bruges af nogle methanogener af slægten Methanococcoides (tilhørende Methanosarcinales ) til methanogenese [3] [2] . Imidlertid anvendes kun methylgrupper i disse forbindelser. For eksempel nedbrydes cholin eller dimethylaminoethanol (DMAE) til ethanolamin, og methylgruppen bruges i methanogenese-reaktioner. Dimethylethanolamin bruges blandt andet Methanococcoides methylutens og Methanococcoides burtonii . Betain tjener også som et substrat for nogle arter af Methanococcoides : i lighed med cholin reduceres methylgruppen til methan, og dimethylglycin frigives. Det undersøges stadig, om methanogener også kan bruge methylerede aminer med længere sidekæder.
Da kulstoffet i methylgruppen er mere reduceret end i CO 2 , behøver C 1 -forbindelser ikke at gå hele vejen, som med kuldioxid. Derfor er de involveret i reaktioner i den nederste tredjedel af methanogenese-vejen, i form af methyl-CoM. Ud over den direkte vej til metan skal methylerede forbindelser også oxideres til kuldioxid i en omvendt rækkefølge af reaktioner til dem, der ses ved hydrogenotrofisk methanogenese. I methylotrofe methanogener er der således en oxidativ og en reducerende gren. Dette skyldes det faktum, at elektronerne til den reducerende gren skal tages fra reaktionerne af oxidation af methylgruppen til kuldioxid, da brugen af miljømæssig brint (som en kilde til elektroner) ofte ikke er mulig.
For eksempel, når methanol oxideres til kuldioxid, reduceres tre molekyler til metan ved hjælp af 6 elektroner opnået under oxidationen af det fjerde molekyle. Denne disproportionation opstår ifølge ligningen:
De oxiderende og reducerende grene fungerer også under absorptionen af methylaminer af Methanosarcina . Methylaminer omdannes til metan, CO 2 og ammoniak (NH 3 ), hvorved tre og methylgrupper reduceres til metan, og den ene oxideres til kuldioxid.
For eksempel omdannes fire molekyler af methylamin i henhold til ligningen:
Som regel nedbrydes methylerede C 1 -forbindelser ifølge reaktionen:
(hvor R = –SH, –OH, –NH2 , –NHCH3 , –N(CH3 ) 2 , –N ( CH3 ) 3+ )
Overførslen af methylgruppen fra C1- forbindelser til CoM katalyseres af cytosoliske methyltransferaser, hvori det aktive center indeholder aminosyren pyrrolysin og en corrinoid som en protesegruppe.
I den oxidative gren overføres methylgruppen af en membranbundet methyltetrahydromethanopterin:CoM methyltransferase. Fordi denne reaktion forbruger energi, bruges en elektrokemisk gradient af natriumioner til dette formål. Methyltetrahydromethanopterin oxideres til dannelse af reduceret F420 . Formylgruppen overføres derefter til methanofuran og oxideres til sidst med formyldehydrogenase til kuldioxid.
En af forskellene mellem methylotrofe methanogener og andre methanogener er, at de ofte har modificerede versioner af tetrahydromethanopterin og dets derivater. Nogle methanogener (inklusive slægten Methanosarcina og Methanocaldococcus jannaschii) har cofaktoren tetrahydrosarcinopterin, som dannes ud fra tetrahydromethanopterin ved tilsætning af en glutamatrest. Medlemmer af slægten Methanogenium indeholder tathiopterin, som adskiller sig fra tilstedeværelsen af antarcinopterinhydrogenet som yderligere tetrainhydrogen. sidekæde og fraværet af en 7-methylgruppe i pterinfragmentet.
Ud over natriumgradienten skabt af methyltetrahydromethanopterin:CoM methyltransferase, lagres energi i methylotrofe methanogener også, når heterodisulfid reduceres af det membranenzymatiske kompleks af hydrogenase og hydrodisulfidreduktase . Hos Methanosarcina - arter består heterodisulfidreduktase af to underenheder (HdrDE) [10] . Enzymet er et membranprotein. Elektrondonoren er reduceret methanophenazin, en quinonlignende forbindelse, der findes i membranen. De elektroner, der er nødvendige for at reducere heterodisulfidet, tages direkte fra hydrogen ved dets oxidation med H 2 : methanophenazin-dehydrogenase (EC 1.12.98.3, Vho), som blandt andet indeholder hæm b som en protesegruppe. Alternativt kan elektroner forsynes med reduceret F 420 . Under reaktionen transporteres protoner fra cellen til ydersiden. Det vil sige, at dette kompleks tjener som en protonpumpe . Den indirekte reduktionsreaktion af methanophenazin udføres af F420: methanophenazin-dehydrogenase (EC 1.5.98.3 , Fpo). Oxideret F420 reduceres med hydrogen under anvendelse af F420-reducerende hydrogenase (EC 1.12.98.1) . Der er fundet et hydrogenasekompleks i Methanosarcina barkeri , som lever i ferskvand. Methanosarcina acetivorans , en saltvands-archaea, oxiderer i stedet for hydrogenreduceret ferredoxin i et lignende membrankompleks (Rnf), der indeholder cytochrom c som en protesegruppe.
Methanogener skaber således både en protongradient og en gradient af natriumioner (Δµ H + , Δµ Na + ) [6] . Methanogener er de eneste organismer, der skaber disse to gradienter parallelt.
Næsten alle methanogener er i stand til at oxidere brint med kuldioxid, men kun to slægter ( Methanosarcina , Methanothrix ( Methanosaeta )) kan decarboxylere acetat. Samtidig yder de det største bidrag til den globale metanudledning [9] . Den opnåede metan på grund af dem er 66 % af den færdige metanproduktion på Jorden [11] . De kaldes acetoklastiske methanogener. Acetat (CH 3 COOH) er den eneste C 2 -forbindelse, der kan bruges til methanogenese.
Til brug som et substrat for methanogenese "aktiveres" acetat ved at reagere det med coenzym A for at producere acetyl-CoA . Der er to muligheder:
Acetyl-CoA nedbrydes i tre dele i et kompleks med CO-dehydrogenase/acetyl-CoA-syntase (CODH/ACS). Komplekset overfører methylgruppen (CH 3 -) til H 4 MP, som omdannes til methan som beskrevet ovenfor. Carboxylgruppen (-CO) oxideres til CO 2 i tilstanden bundet til enzymkomplekset. Frit coenzym A frigives til cytoplasmaet. Således danner et acetatmolekyle et molekyle kuldioxid og et molekyle metan ifølge reaktionen:
Heterodisulfid CoM-SS-CoM, som opnås under syntesen af methan, reduceres til coenzymer M og B under påvirkning af membran-dihydrometanophenazin: CoB-CoM heterodisulfidreduktase (HdrDE, EC 1.8.98.1) [12] . Når heterodisulfid reduceres fra cytoplasmaet, absorberes to protoner, og der genereres en protondrivende kraft [13] . Elektrondonoren er dihydromethanphenazin, opnået ved at bruge hydrogenelektroner, enten direkte eller ved reduktion af F 420 . Direkte reduktion sker under indvirkning af phenazinhydrogenase I (EC 1.12.98.3). Indirekte reduktion sker ved at involvere F 420 H 2 : methanophenazin-dehydrogenase (EC 1.5.98.3). Selve den reducerede faktor F 420 opnås ved reduktion med hydrogen under indvirkning af F 420 -hydrogenase (EC 1.12.98.1). Begge membranbundne dehydrogenaser bærer en proton over membranen. Dette resulterer i en protongradient for ATP-syntese.
Kulilte (CO) kan kun bruges af få arter til methanogenese [1] . Methanothermobacter thermoautotrophicus og Methanosarcina barkeri danner tre CO2-molekyler og et metanmolekyle fra fire CO-molekyler . Methanosarcina acetivorans kan også bruge CO som et substrat, hvilket resulterer i dannelsen af acetat og fomat parallelt [14] . Denne type acetogenese i methanogener kaldes carboxytrofisk acetogenese [15] .
I processen med methanogenese skabes både en protongradient og en gradient af natriumioner (Δµ H + , Δµ Na + ) [6] . Methanogener er de eneste organismer, der skaber disse to gradienter parallelt. Som med anaerob eller aerob respiration bruges energien af forskellen i ionkoncentrationer til at syntetisere ATP med deltagelse af ATP-syntase .
Archaea har deres egen ATP-syntase type A 1 A 0 , bakterier, mitokondrier og kloroplaster F 1 F 0 -ATP-syntase og eukaryoter V 1 V 0 . Methanogener bruger A1A0 - ATP -syntase. I genomet af frk. barkeri og frk . acetivorans- gener for bakteriel F 1 F 0 -ATP-syntase blev også fundet. Det er dog ikke muligt at sige præcist, om de er udtrykt og fungerer [6] . Formentlig optrådte disse gener i genomet af disse archaea ved horisontal genoverførsel .
Det er ikke klart, om ATP-syntaser af type A 1 A 0 i methanogene arkæer bruger natriumioner eller protoner. Men på grund af tilstedeværelsen af Na + /H + antiporteren kan forskellen i natriumionkoncentrationer altid omdannes til en protonmotorkraft.
Den nøjagtige struktur af ATP-syntase er stadig et spørgsmål om forskning. Selvom A 1 A 0 -ATP-syntaser ligner eukaryote V 1 V 0 -typer, producerer de funktionelt ATP, mens eukaryote tværtimod hydrolyserer og forbruger ATP for at skabe en iongradient [9] . De fleste arkæer har en rotor på 12 underenheder. Det katalytiske domæne, der genererer ATP, har tre bindingssteder. Fire protoner er således tilstrækkelige til syntesen af et ATP-molekyle. En undtagelse er ATP-syntase Mc. janaschii og Mc. maripaludis , hvor det roterende element kun har 8 grupper. I gennemsnit er 2,6 protoner tilstrækkelige til syntesen af et ATP-molekyle.
Reduktionen af kuldioxid til metan med brint er en eksergonisk proces (det fortsætter med frigivelse af energi). Under standardbetingelser ved pH=7 er ændringen i Gibbs energi ΔG 0 ' −130 [16] , −131 [6] , [17] , [15] eller 135 [1] kJ/mol CH 4 afhængigt af litteraturkilde. Under sådanne forhold kan der under methanogenese dannes 3 ATP-molekyler fra ADP og uorganisk fosfat pr. molekyle methan dannes. ΔG 0 '-værdier for andre metandannelsesreaktioner er vist i tabellen ovenfor.
For at beregne ΔG 0 ' bruges temperaturen på 25°С, pH=7 og koncentrationen af opløste gasser i ligevægt ved deres tryk på 10 5 Pa [17] . Dette svarer dog ikke til betingelserne for naturlige levesteder, da så høje koncentrationer af gas ikke forekommer i miljøet og ikke kan opretholdes i en celle. Under naturlige forhold er energiproduktionen således lavere.
I de fleste habitater observeres et brinttryk på omkring 1-10 Pa [17] . Ved dette H 2 tryk og pH=7 er ændringen i fri energi fra 17 til 40 kJ/mol metan, hvilket kan betyde syntesen af mindre end et ATP-molekyle pr. molekyle produceret metan. Desuden spiller pH-værdien, trykket og temperaturen en rolle i beregningen af ΔG. For eksempel falder ændringen i fri energi under reduktionen af kuldioxid til methan med brint under standardbetingelser (25°С) fra −131 kJ/mol til −100 kJ/mol, hvis vi tager den beregnede temperatur på 100°С [ 17] .
Selv når andre C 1 forbindelser anvendes, er ΔG' lav, så mange methanogener vokser nær den "termodynamiske grænse" [6] .
Omkring 50 arter fra 17 slægter har evnen til at danne metan, som alle tilhører archaea af Euryarchaeota divisionen . Traditionelt betragtes de som en gruppe af metanproducerende bakterier , men fylogenetisk er den meget heterogen. Der er fire klasser, herunder 6 ordener: Methanobacteria ( Methanobacteriales ), Methanococci ( Methanococcales ), Methanopyri ( Methanopyrales ) og Methanomicrobiales med 3 ordener ( Methanomicrobiales , Methanosarcinales og Methanocellales ). Methanopyrales er fylogenetisk den ældste, mens Methanosarcinales er den yngste [17] [18] [19] . Ordenen Methanocellales , opdaget i 2008, er relateret til archaea Methanocella paludicola og Methanocella arvoryzae , der findes i jorden på rismarker. De er engageret i autotrofisk methanogenese. Methanoplasmatales , som er beslægtet med Thermoplasmatales , blev foreslået i litteraturen som den syvende orden [20], men blev derefter omdøbt til Methanomassiliicoccales . [21] [22]
Alle methanogener er strenge anaerobe, væksten af nogle af dem undertrykkes fuldstændigt, når 0,004% oxygen vises i gasfasen , den første art isoleret i rene kulturer voksede ved et redoxpotentiale af mediet på mindre end -300 mV. De fleste af dem er mesofiler og har et vækstoptimum i området 30-40°C, alle har en optimal pH ved 6,5-7,5, der er halofiler .
Omkring halvdelen af arterne er autotrofe og fikserer kuldioxid via acetyl-CoA-vejen , en række af dem er i stand til nitrogenfiksering ( Methanosarcina barkeri , Methanobacterium formicium ). Svovl optages oftest i reduceret form; molekylært svovl, sulfitanion , kan være involveret i stofskiftet. Kun få arter ( Methanobrevibacter ruminantium , Methanococcus thermolithrophicum ) kan bruge sulfatanionen .
Genomanalyse viser, at methanogenese opstod under dannelsen af Euryarchaeota og først efter divergensen fra Thermococcales [23] . Dette understøttes af det faktum, at alle methanogener deler de samme homologe enzymer og cofaktorer for den centrale methanogene vej. Desuden er forekomsten af methanogenese sandsynligvis kun sket én gang, da horisontal genoverførsel mellem methanogener og ordenerne Thermoplasmatales , Archaeoglobales og Halobacteriales , som ikke kan udføre methanogenese, ikke er fundet. Sandsynligvis mistede archaea i disse tre ordener evnen til methanogenese i løbet af evolutionen.
Hvorfor methanogenese opstod i Euryarchaeota ret tidligt og "pludselig" forbliver et genstand for forskning. Der er flere teorier om oprindelsen af methanogenese. En teori er, at den sidste fælles forfader til Archaea selv var en methanogen organisme [23] . Nogle arkæer bruger methanogenese i miljøer med høj saltholdighed, surhed og høje temperaturer. Da disse miljøforhold angiveligt var fremherskende selv efter Jordens dannelse, kunne den metanogene Archaea have været en af de første livsformer [6] . Derfor ville evnen til methanogenese være gået uafhængigt tabt i alle Crenarchaeota , såvel som i alle andre ikke-methanogene slægter, hvilket er meget usandsynligt [11] .
Ifølge en anden teori er methanogenesens oprindelse forbundet med behovet for metanoxidation, altså på vej tilbage. Disse bakterier, også kaldet metanotrofer , oxiderer metan til kuldioxid og vand under aerobe forhold, hvorimod dette i archaea er en anaerob proces [24] . Der er også et modsat synspunkt, at sådanne metanotrofe arkæer opstod fra methanogene arkæer. Det postuleres, at methanogenese, arkæal anaerob metanotrofi og bakteriel aerob metanotrofi udviklede sig fra en fælles metabolisk vej, der oprindeligt blev brugt af den sidste fælles forfader til at afgifte formaldehyd .
Den nye teori overvejer pyrrolysins rolle i methylotrofisk methanogenese i Methanosarcinales , hvorved methylaminer indgår i methanogenese [11] . Methylgruppen af methylaminer overføres til corrinoidproteinet ved hjælp af en specifik methyltransferase (se afsnittet ovenfor). Methyltransferaser indeholder 22 aminosyrer - pyrrolysin i det katalytisk aktive center. Fordi alle pyrrolysinenzymer er meget fylogenetisk gamle, menes de at være blevet overført horisontalt fra flere donorlinjer, der nu enten er uddøde eller endnu ikke er blevet opdaget. Dette betyder dog også, at den forfædres linje, som enzymet opstod i, allerede havde nået en vis grad af diversitet, da der var en fælles forfader til livets tre hoveddomæner.
Cytokromer er kun blevet fundet i Methanosarcinales , som metaboliserer en bredere vifte af substrater end methanogener uden cytochromer og også bruger acetat. Det antages, at acetoklastisk methanogenese optrådte sent. Formentlig overføres de acetatkinasegener, der kræves til acetatudnyttelse, først til methanogene archaea ved horisontal genoverførsel fra deres associerede bakterielle cellulose-nedbrydende acetogene clostridier [25] [26] .
Når de dyrkes på en blanding af kuldioxid og brint, kræver Methanosarcinales høje koncentrationer af H 2 . Ved lave gaskoncentrationer vokser methanogener uden cytochromer derfor fortrinsvis. Som et resultat af evolution, nogle Methanosarcinales , såsom Ms. acetivorans , Methanolobus tindarius og Methanothrix soehngenii har fuldstændig mistet evnen til at bruge kuldioxid som substrat i en blanding med brint [17] . Da methanogenese på en blanding af kuldioxid og brint er meget udbredt, menes det, at denne form er den ældste [21] .
Methanogenese er en nøglekomponent i Jordens kulstofkredsløb . Methanogener fuldender den anaerobe nedbrydning af biomasse ved hjælp af molekylært brint, kuldioxid og kulilte samt lavere organiske syrer frigivet under fermenteringsprocesser . På den måde vender de tilbage til kulstofkredsløbet. Fordi disse gasser, og især metan, er store drivhusgasser , er methanogenese essentiel for den globale opvarmningsproces [6] . Formentlig spiller dannelsen af biogen metan en rolle i dannelsen af methanhydrat , hvis økonomiske anvendelse er af interesse. Mere end 20 % af verdens metanreserver er af biogen oprindelse.
Methanogenese spiller også en vigtig rolle i slutningen af den anaerobe fødekæde, da de tillader mange syntrofiske bakteriearter at vokse i første omgang. Disse sekundære fermenteringsbeholdere får deres energi fra fermentering af laktat, propionat, butyrat og simple organiske forbindelser, hvorved der frigives brint, CO 2 og acetat. Men af termodynamiske årsager er disse fermenteringsreaktioner kun mulige, hvis det producerede brint hurtigt forbruges, og H 2 -partialtrykket ikke stiger over 100 Pa. Brintoptagelse leveres af nært beslægtede methanogener, som kræver dette brint til methanogenese. Hydrogenoverførsel mellem syntrofiske bakterier og archaea, altså mellem forskellige arter, kaldes også interspecies brintoverførsel [27] [1] .
Da methanogener forbundet med syntrofiske bakterier også findes i den menneskelige fordøjelseskanal, har methanogenese en indflydelse på fordøjelsen [28] . Omkring 10% af de anaerobe bakterier, der lever i den menneskelige fordøjelseskanal, er methanogener af arterne Methanobrevibacter smithii og Methanosphaera stadtmanae . De bruger to produkter af bakteriel fermentering til methanogenese: brint og formiat. En høj koncentration af brint hæmmer produktionen af ATP af andre bakterier. M. smithii metaboliserer også methanol , som er giftigt for mennesker. Derfor har methanogener en positiv effekt på den menneskelige tarmflora .
Dannelsen af metan sker i naturen i udelukkende anaerobe miljøer, hvor nedbrydningen af biomasse sker. Det kan for eksempel være bundsedimenter af søer og have, kvægvom , termit- og mennesketarm , rismarker eller sumpe . Methanogener bruger også metabolitterne af Clostridium butyricum- bakterier , som forårsager fugtigt træforrådnelse [21] .
Methanogener lukker den såkaldte "anaerobe fødekæde" [9] . I begyndelsen af denne kæde nedbrydes biopolymerer såsom proteiner og polysaccharider , især cellulose , først til monomerer ( aminosyrer og kulhydrater ). Lipider nedbrydes til deres bestanddele (f.eks. fedtsyrer ). Bakterierne fermenterer derefter disse nedbrydningsprodukter til simple carboxylsyrer (såsom formiat , acetat , pripionat , lactat og succinat ), alkoholer (såsom ethanol , isopropanol og butanol ) og andre lavmolekylære forbindelser ( H2 , CO2 og kortkædede .ketoner Syntrofiske acetogene bakterier bruger nogle af disse forbindelser og omdanner dem til C 1 forbindelser og acetat. I den sidste del af den anaerobe fødekæde bruges disse forbindelser i methanogenese som en kilde til kulstof, energi og reduktionsmidler, der danner CH 4 og CO 2 .
C 1 -forbindelser med en methylgruppe, såsom methylamin (CH 3 NH 2 ) eller methanol (CH 3 OH), er især almindelige i hav eller brakvand og er produkter af anaerob nedbrydning af cellekomponenterne i nogle planter og fytoplankton [ 9] .
Som et kunstigt tilsætningsstof kan methanogener bruges til at rense spildevand . Disse levesteder er velegnede til mesofile organismer, der vokser ved moderate temperaturer. Methanogenese finder sted i miljøer med ekstremt høje og lave temperaturer [29] og høj saltholdighed eller høj surhed, såsom i geotermiske kilder . I alle tilfælde skal koncentrationerne af sulfat, nitrat, mangan (IV) og jern (III) ioner i disse levesteder være lave, ellers bruger bakterier disse ioner som elektronacceptorer i anaerob respiration ved at bruge de samme substrater som methanogener som donorer. elektroner. Redox-processerne ved anaerob respiration er mere gavnlige ud fra et energisynspunkt og fortsætter før methanogeneseprocesserne, og derfor mister methanogener deres energikilde og taber konkurrence [17] . Under anaerobe forhold er kuldioxid sjældent det begrænsende substrat, da det løbende frigives under fermenteringsreaktioner af ledsagende bakterier [1] . De fleste methanogener foretrækker en neutral pH , med undtagelse af for eksempel Methanocalculus alkaliphilus eller Methanosalsum natronophilum , hvor det optimale for vækst er i et alkalisk miljø og er 9,5 eller Methanoregula booneii 5,1 pH-enheder [21]