Магистры Тема 3б

механизмы деградации ксенобиотиков. Пути подготовительного метаболизма.
2. Биохимические механизмы деградации ксенобиотиков. Первичное гидроксилирование как первый этап подготовительного метаболизма ксенобиотиков.
3. Биохимические особенности разложения фенолов. Орто- и мета- пути расщепления фенолов.
4. Биохимические механизмы деградации ксенобиотиков. Биодеградация галогенсодержащих ксенобиотиков.
5. Особенности микроорганизмов – деструкторов органических ксенобиотиков. Принципы подбора и конструирования микроорганизмов-деструкторов и особенности их роста в присутствии ксенобиотиков.

в основные (центральные) пути катаболического или анаболического обмена, происходит в ходе подготовительного (периферийного) метаболизма.
Микроорганизмы под воздействием ферментов переводят природные и синтетические вещества в ключевые соединения метаболизма – вещества, из которых синтезируются все необходимые компоненты клетки и извлекается необходимая энергия.

Ферменты, катализирующие подготовительный метаболизм, обычно индуцибельные.
Основные реакции, участвующие в путях подготовительного метаболизма:
реакции окисления,
восстановления,
деградации, включая гидролиз,
конъюгации.

кислорода (гидроксилирования) в молекулу субстрата.

Участвуют ферменты – монооксигеназы и диоксигеназы.
Особая роль принадлежит монооксигеназам со смешанной функцией - комплексу мембрано-связанных ферментов, включающих цитохромы P-450 и NАDPH-цитохром-P-450-редуктазы.

+O2 → CH3OH + NAD+ + H2O

CH3OH → HCHO → HCOOH → CO2

Далее:

Две формы метанмонооксигеназы: растворимая цитоплазматическая и нерастворимая, связанная с мембраной.

Растворимая метанмонооксигеназа не обладает субстратной специфичностью и одновременно с метаном способна соокислять его гомологи (этан, пропан, бутан и др.), алкены, трихлорэтилен, ароматические соединения и их хлорированные гомологи, а также NH3 до NH2OH. Этим обусловлено значение реакций, катализируемых метанмонооксигеназой, для удаления различных органических загрязнений из природных сред.

Диоксигеназы катализируют внедрение в молекулу субстрата обоих атомов молекулы кислорода.
Играют важную роль в деградации таких природных соединений, как фенолы и их производные, лигнины, алкалоиды, терпены и др.
Наиболее важные реакции подготовительного метаболизма, осуществляемые диоксигеназами, – реакции, ответственные за разрыв ароматического кольца.

соединения, имеющие как минимум две свободные гидроксильные группы в орто- или пара- положениях (орто- или пара-дифенолы). Простейший орто-дифенол – катехол (пирокатехин). Орто-дифенолы образуются в подготовительном метаболизме многих соединений.
Дигидроксилированное ароматическое кольцо разрывается в диоксигеназной реакции в результате орто- или мета-расщепления.

при орто-расщеплении. Однако мета-расщепление менее эффективно при разложении различных производных ароматических соединений, например галогензамещенных, поскольку приводит к накоплению промежуточных токсичных продуктов метаболизма и гибели популяции микроорганизмов-деструкторов.

Гены, определяющие возможность орто-расщепления ароматического кольца незамещенных фенолов, как правило, содержатся в хромосоме, гены мета-расщепления присутствуют в плазмидах биодеградации и определяют разрыв кольца в метилированных фенольных соединениях. Ферменты, катализирующие расщепление ароматического кольца, – индуцибельные.
Орто- и мета-расщепление ароматического кольца способны осуществлять бактерии, дрожжи и грибы.

длинные алкильные боковые цепи

оксидами металлов, сульфатами, диоксидом углерода или галогенированными органическими соединениями.
Некоторые сульфатредуцирующие бактерии и денитрификаторы способны окислять насыщенные алканы, алкены, алкины и нафтены до CO2, Н2 и ацетата или CO2 и CH4 (в ассоциации с метаногенами).

При аноксигенном окислении связанный кислород нитратов и сульфатов не включается в молекулы ароматических соединений, и в этих условиях оксигеназы не функционируют. У насыщенных алифатических углеводородов отщепляется водород с образованием двойной связи; нитратный или сульфатный ион является конечным акцептором водорода.

могут использовать многие ксенобиотики в качестве конечных акцепторов электронов на начальных стадиях деградации.

Примеры:
восстановление альдегидов и кетонов в спирты;
восстановление ароматических нитро-, нитрозо- и азогрупп в амино-, гидроксиламино- или нитрозогруппы;
восстановление двойных связей ароматических циклов с последующим расщеплением кольца

полифосфатных групп;
деалкилирование, при котором удаляются алкильные группы, связанные с О, N, S и образуются фенолы, амины и тиолы;
расщепление кольцевых структур (алициклические и гетероциклические соединения), что важно для биодеградации грибами лигнина и других природных полимеров.

ароматическими и алифатическими аминами и сульфонамидами с помощью ацетилтрансфераз;
- конъюгация глицина с бензойной и никотиновой кислотами:

- конъюгация с цистеином, глутатионом и другими серусодержащими соединениями;
- метилирование спиртов, фенолов, аминов, тиолов и др.;
- конъюгация с сульфатом фенолов, спиртов, ароматических аминов, гидроксиламинов, стероидов;
- образование связанных остатков продуктов частичной деградации ксенобиотиков с природными полимерами, например, связывание некоторых пестицидов с лигнином (в растениях), с гуминовыми кислотами (в почве);
- связывание ионов тяжелых металлов металлотионеинами – белками с низкой молекулярной массой и высоким содержанием цистеина.

с ослабленной субстратной специфичностью.

На способность галогенированного соединения вступать в тот или иной тип реакции дегалогенирования влияет число атомов галогена в молекуле соединения.

восстановлению.

микроорганизмы, особенно бактерии (р. Pseudomonas и др.).

Смешанные популяции, как правило, быстрее и полнее разрушают многие синтетические соединения.

Подбор и селекция микроорганизмов-деструкторов:

1. Выделение монокультуры или сообщества микроорганизмов (изолятов) из различных природных или техногенных сред, загрязненных теми или иными ксенобиотиками; лучше всего выделять микроорганизмы из мест с застарелыми загрязнениями или с неоднократным поступлением ксенобиотиков.
Для выделения таких изолятов эффективен метод накопительных культур, при этом накапливают биологический материал для деградации вещества-загрязнителя, как правило, на этом же субстрате либо на его легко утилизируемых аналогах.
2. Использование уже известных штаммов-деструкторов (музейных культур) или конструирование рекомбинантных штаммов на базе существующих.

только один из ферментов подготовительного метаболизма;
микроорганизмы, которые трансформируют синтетическое соединение в одно из промежуточных соединений подготовительного метаболизма его природного аналога уже на первых этапах метаболизма.

Целесообразно сначала получить накопительную культуру с использованием в качестве субстрата природного аналога данного синтетического соединения или их смесь, а уж затем пытаться адаптировать биодеструктор к потреблению ксенобиотика в качестве единственного субстрата.

варианта биоочистки и биоремедиации.
Первый вариант – обеспечение роста естественной микрофлоры, включающей биодеструкторов, – для участков с застарелыми загрязнениями, где почти всегда обитает дикая, аборигенная микрофлора, способная их трансформировать. Такие загрязнения можно удалять in situ (по месту) без внесения биопрепаратов.
Второй вариант – предварительное получение биологически активного штамма, накапливание жизнеспособных клеток и внесение в виде биопрепарата в загрязненную среду. Этот вариант целесообразно применять в северных регионах и при обработке мест с незастарелыми загрязнениями.

микроорганизмы, через 3 мес. биодеструкции.
Увеличение 50х.

Зерна катионита КУ-2-8. Марганецокисляющие микроорганизмы, через 1 мес. биодеструкции.
Увеличение 50х.

Зерна катионита КУ-2-8. Марганецокисляющие микроорганизмы, через 3 мес. биодеструкции.
Увеличение 50х.