Янг Л., Моу Дж. Метаболизм соединений серы

Подождите немного. Документ загружается.

Литература

163

33. G о f f а г t М, Fischer Р, Arch. int. Physiol., 55, 258

(1947—1948).

34. С h а р е v i 11 е F, Fromageot Р, Biochim. biophys. Acta,

14, 415 (1954).

35. Schmidt С. L. A, Clark G. W., J. biol. Chem., 53, 193

(1922).

36. Heimberg М, Fridovich I, Handler Р, J. biol. Chem.,

204, 913 (1953).

37. Fridovich I., Handler P., Fed. Proc, 13, 212 (1954).

38. Fridovich I, Handler P., J. biol. Chem., 221, 323 (1956).

39. Fridovich 1, Handler P., J. biol. Chem, 223, 321 (1956).

40. В о r s о о к H, Deasy С. L, Haagen-Smit A. J,

Keighley G, Lowy P. H, J. biol. Chem, 179, 689 (1949).

41. Singher H. 0, Marinelli L, Science, 101, 414 (1945).

42. Dziewiatkowski D. D, J. biol. Chem, 178, 197 (1949).

43. E v e r e 11 N. B, Simmons B. S„ Arch. Biochem. Biophys,

35, 152 (1952).

44. Laidlaw J. C„ Young L, Biochem. J, 54, 142 (1953).

45. Loosli J. K, Williams H. H, Thomas W. E„ Fer-

ris F. H, Maynard L. A, Science, 110, 144 (1949).

46. Thomas W. E, Loosli J. K, Williams H. H., Mayn-

ard L. A, J. Nutr, 43, 515 (1951).

47. Block R. J, Stekol J. A, Proc. Soc. exp. Biol, N. Y, 73,

391 (1950).

48. Block R. J, Stekol J. A, Loosli J. K, Arch. Biochem.

Biophys, 33, 353 (1951).

49. M а с h

i n L. J, Jackson J. T, Lankenau A. H, Pear-

s о n P. B, Poult. Sci, 32, 234 (1954).

50. Machlin L. J, Pearson P. B, Denton C. A, Bird H. R,

J. biol. Chem, 205, 213 (1953).

51. Dziewiatkowski D. D, J. biol. Chem, 207, 181 (1954).

52. Tarver H, Schmidt C. L. A, J. biol. Chem, 130, 67 (1939).

53. Bostrom H, Aqvist S, Acta chem. scand, 6, 1557 (1952)

54. Machlin L. J, Pearson P. B., D e n t о n С. A, J. biol.

Chem, 212, 469 (1955).

55. Lowe I. P, Roberts E, J. biol. Chem, 212, 477 (1955).

56. Layton L. L., Frankel D. R, Scapa S, Cancer, N. Y, 3,

725 (1950).

57. Layton L. L, Frankel D. R, Arch. Biochem. Biophys,

31, 161 (1951).

58. Lang K, Biochem. Z, 259, 243 (1933).

11*

164

Глава VlIl

59. Lang K-, Biochem. Z, 263, 262 (1933).

60. Trasoff A, Schneeberg N. G, Amer. J. med. Sci., 207,

63 (1944).

61. St 0а К. F., Medd. norsk farm. SeIsk., 13, 93 (1951).

62. Armenio G, Laforgia P. D, Buonsanto М, Boll. Soc.

ital. Biol. sper, 29, 152 (1953).

63. BodanskyM, LevyM. D, Arch, intern. Med, 31, 373 (1923).

64. Lang S„ Arch. exp. Path. Pharmak, 34, 247 (1894).

65. Boxer G. E, Rickards J. C, Arch. Biochem. Biophys,

39, 7 (1952).

66. Rosenthal 0, Fed. Proc, 7, 181 (1948).

67. Sorbo В. H, Acta chem. scand., 7, 1137 (1953).

68. Sorbo В. H, Acta chem. scand, 7, 238 (1953).

69. Sorbo В. H, Acta chem. scand, 7, 1129 (1953).

70. Sorbo В. H, Acta chem. scand, 5, 1218 (1951).

71. Fiedler H„ Wood J. L, J. biol. Chem, 222, 387 (1956).

72. Wood J. L, Williams E. F, jun, Kingsland N.. J. biol.

Chem, 170, 251 (1947).

73. Goldstein F, Rieders F, Amer. J. Physiol, 167, 47

(1951).

74. Pines K- L, Crymble M. M, Proc. Soc. exp. Biol, N. Y,

81, 160 (1952).

75. Goldstein F„ Rieders F, Amer. J. Physiol, 173, 287

(1953).

76. Brin M, Fed. Proc, 14, 186 (1955).

Глава IX

ОБМЕН СЕРЫ У МИКРООРГАНИЗМОВ

Большие успехи в изучении соединений, содержащих

серу, и их обмена были достигнуты в результате иссле-

дований на микроорганизмах. Исследования этого рода

привели, например, к открытию метионина, биотина и

липоевой кислоты и способствовали выяснению роли

тиамина и кофермента А в обмене. В данной главе об-

суждаются главные характерные черты обмена серусо-

держащих соединений у микроорганизмов.

ПОТРЕБНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В СЕРЕ

Хотя в состав микроорганизмов и в состав тканей

животных входят примерно одни и те же серусодержа-

щие соединения, потребности микроорганизмов и живот-

ных в этих соединениях совершенно различны. Основное

различие состоит в том, что микроорганизмы обладают

удивительно широкой изменчивостью в отношении по-

требности в серусодержащих !соединениях. Ряд бакте-

рий, в том числе многие разновидности сапрофитов, най-

денных в почве, способны использовать чисто неоргани-

ческие формы серы, в частности сульфат, как главный

источник этого элемента. К таким бактериям относятся

бактерии, фиксирующие азот, — Azotobacter и Rhizobia,

а также различные виды Pseudomonas, Proteus и Neis-

seria. Некоторые из этих бактерий используют сульфат

как единственный источник серы, но большинство из них

требует также наличия в среде биотина или тиамина.

Некоторые виды нуждаются в цистине или метионине или

12 Зак. 2552.

166

Г лава

III

в обоих этих соединениях. К ним относятся Clostridium

botulinum, нуждающиеся в метионине, Lactobacillus casei

и Leuconostoc mesenteroid.es, нуждающиеся в цистине,

но не метионине, и Lactobacillus arabinosus, которые ну-

ждаются в обеих аминокислотах. Эти бактерии разли-

чаются также в своих потребностях в биотине и тиамине

[1]. Другим фактором роста, играющим важную роль

в обмене у бактерий, является а-липоевая кислота. До

того как было установлено ее химическое строение, это со-

единение было известно как «фактор, замещающий аце-

тат» или как «протоген». Было найдено, что эта кислота

стимулирует рост Streptococcus faecalis, Escherichia coli

и других микроорганизмов. В культуральной жидкости

она может быть замещена ацетатом или промежуточ-

ными продуктами цикла трикарбоновых кислот; для

некоторых же микроорганизмов это соединение можно

заместить бикарбонатом.

Некоторые соединения серы, хотя и повышают ско-

рость роста определенных микроорганизмов, не являются

существенно необходимыми для их роста. Это можно

считать указанием на то, что данное соединение синтези-

руется в этом организме, но со скоростью, недостаточной

для максимального роста. Примерами служат стимуля-

ция роста Staphylococcus aureus метионином, Bru-

cella tularensis — цистином и Proteus vulgaris — биоти-

пом. Обращает на себя внимание другая сторона пита-

ния бактерий, а именно различие в пищевых потребно-

стях даже у индивидуальных штаммов некоторых орга-

низмов. Некоторые из них в результате отсутствия

способности к синтезу ряда веществ нуждаются в доба-

влении большего числа соединений, чем другие. Эти более

требовательные штаммы часто можно «приучить» к ис-

пользованию более простого питания, если их несколько

раз подряд культивировать на соответствующей среде.

Так, например, некоторые штаммы Corynebacterium diph-

theriae требуют для роста цистин и метионин, но их

можно заставить использовать вместо этих аминокислот

неорганический сульфид. Аналогичным образом можно

развить способность к синтезу тиамина у Propionibacte-

ria и Staphylococci, которые при нормальных условиях

нуждаются в этом ростовом факторе. Бактерии биологи-

Обмен серы у микроорганизмов

167

чески настолько лабильны, что любая строгая класси-

фикация их пищевых потребностей может ввести в за-

блуждение. Но из всех указанных выше исследований

можно сделать один важный вывод: цистин, метионин,

биотин и тиамин играют крайне важную роль в обмене

микроорганизмов.

Другие микроорганизмы обнаруживают такие же

различия в своих питательных потребностях, как и бак-

терии. Большинство дрожжей, плесени и грибы, а также

многие простейшие могут синтезировать серусодержа-

щие аминокислоты из сульфата, хотя у некоторых из них

эта способность утеряна. Например, дрожжи Mycoder-

та vini и плесень Allomyces arbuscula нуждаются для

роста в цистине, а дрожжи Schizosaccharomyces и Can-

dida albicans и плесени рода Blastocladia требуют ме-

тионин. Степень синтеза биотина и тиамина у дрожжей

варьирует в широких пределах, и эти соединения при

добавлении к среде часто стимулируют рост. Шопфер [2]

одним из первых показал участие тиамина в обмене

у микроорганизмов и установил, что у грибов Phycomyces

blakesleeanus он служит фактором роста. Биотин неза-

меним в питании у Neurospora и у Aspergillus niger.

У грибов рода Schizophyllum, вызывающих гниение

древесины, незаменимы для роста биотин и ти-

амин.

Простейшие также заметно различаются по их по-

требности в сере [3]. Большинство из них нуждается

в тиамине, но некоторые представители простейших, на-

пример жгутиковые Chilomonas paramedium, могут расти

и на такой среде, которая содержит серу лишь в виде

неорганических солей. Tetrahymena geleii, являющаяся

предметом интенсивного биохимического исследо!вания,

нуждается для роста в метионине, но не в цистине, и

рост ее стимулируется тиамином, который может синте-

зироваться в этом организме лишь с небольшой скоро-

стью [4]. Tetrahymena geleii нуждается также в а-липое-

вой кислоте, хотя последняя может быть частично заме-

нена уксусной кислотой.

Данные о пищевых потребностях отдельных микро-

организмов были использованы для разработки неко-

торых методов определения аминокислот, витаминов

12*

168

Г лава

III

группы В и других соединений. Несколько методов тако-

го рода с использованием бактерий Lactobacillus fermenti,

L. arabinosus, Leuconostoc mesenteroides и Streptococcus

faecalis было предложено для определения метионина

[5—7]. Добавление метионина или материала, содержа-

щего его, к культуре этих микроорганизмов, выращивае-

мой -на среде с недостаточным содержанием метионина,

вызывает ответную реакцию в виде ускорения роста,

о котором можно судить по увеличению мутности куль-

туры или по количеству образующейся молочной кисло-

ты. Для определения цистина и цистеина [8] были ис-

пользованы Lactobacillus lycopersici, L. buchneri и Leu-

conostoc mesenteroides. Биотин можно определять при

помощи Lactobacillus casei или L. arabinosus, а тиамин—

по его влиянию на скорость ферментативных реакций

у различных видав дрожжей [9].

СИНТЕЗ СЕРУСОДЕРЖАЩИХ АМИНОКИСЛОТ

Данные о процессах синтеза серусодержащих амино-

кислот получены в опытах по изучению пищевых по-

требностей различных микроорганизмов, в особенности

мутантов, полученных путем облучения бактерий и пле-

сеней рентгеновскими и ультрафиолетовыми лучами или

путем обработки их химическими мутагенными вещест-

вами, например ипритом и азотистыми аналогами ип-

рита. Изучение использования микроорганизмами мечен-

ных S

соединений при различных условиях также по-

зволило получить ряд ценных данных.

Тот факт, что многие бактерии, плесени и грибы ра-

стут и синтезируют белок даже в тех случаях, когда

неорганический сульфат является единственным источ-

ником серы, доказывает, что эти организмы синтезируют

серусодержащие аминокислоты из неорганической серы.

Непосредственно это показано в случае Е. coli, растущей

на среде, содержащей радиоактивный сульфат. В этом

случае микроорганизмы накапливали значительное ко-

личество изотопа в метионине и циетине клеточных бел-

ков [10]. Предполагают, что у большинства, если не у

Обмен серы у микроорганизмов

169

всех, микроорганизмов процесс протекает по следующей

общей схеме:

Сульфат —> Цистеин —>• Метионин

Цистин

Ниже будут рассмотрены отдельные стадии этого про-

цесса.

Превращение сульфата в цистеин

Изучение механизма синтеза цистеина из сульфата

находится еще на самой начальной стадии. Ясно, что в

этой реакции происходит восстановление серы сульфата

и превращение его в органическую форму. Общепри-

знано, что сульфат сначала восстанавливается в суль-

фит, но о промежуточных продуктах, возникающих вслед

за этой реакцией, ничего определенного мы не знаем.

Предполагали, что происходит дальнейшее восстановле-

ние сульфата до сульфида, и возникающий сероводород

при взаимодействии с пировиноградной кислотой или

аланином образует цистеин в реакции, обратной цисте-

индесульфридразной реакции (см. гл. II). Было обнару-

жено, однако, что, кроме некоторых штаммов Pasteurella

pestis, лишь очень немногие виды микроорганизмов ис-

пользуют сероводород этим путем. Другая возможность

состоит во взаимодействии сульфита и пировиноградной

кислоты с образованием сульфинилпировиноградной

кислоты и последующим ее переаминированием и вос-

становлением, ведущим к образованию цистеина. Пер-

вая ступень этой реакции аналогична реакции Вуда —

Веркмана. Горовиц [11] на основании результатов опы-

тов по изучению мутантов Neurospora erassa заключил,

что возможным промежуточным продуктом в этом син-

тезе является тиосульфат, а Хокенхулл [12] предполо-

жил, что у Aspergillus nidulans реакция протекает

170

Г лава

III

по следующей схеме:

Сульфат —> Сульфит —Сульфоксилат —Тиосульфат —>

—> Цистеин-5-сульфонат —Цистеин

(Серинтиосульфат)

Превращение цистеина в метионин

Полагают, что метионин образуется у N. crassa, В.

subtilis, Е. coli и других микроорганизмов, в результате

следующих реакций:

I II IIi

Сульфат > Цистеин -—> Цпстатионин —-

Аспарагиновая —> Гомосерин—

кислота

•—> Гомоцистеин > Метионин

С,-соединения и |

витамин B

Различные стадии этого превращения были выяснены

в опытах по изучению пищевых потребностей мутантных

штаммов указанных организмов [11, 13, 14]. Путем об-

лучения культур плесени N. crassa рентгеновскими лу-

чами были получены мутанты с различной потребностью

в соединениях серы. Одни из них («бесцистиновые») не

могут использовать неорганический сульфат и требуют

для роста предобразованный цистин, другие («безметио-

ниновые») нуждаются в метионине. У некоторых штам-

мов последней группы метионин может быть замещен

гомоцистеином или цистатионином. Штаммы, нуждаю-

щиеся в цистеине, неспособны осуществлять стадию I

синтеза, но при добавлении к среде цистеина или ци-

стина они способны осуществлять последующие стадии.

Из мутантов, нуждающихся в метионине, те, которые

способны использовать цистатионин, утеряли способ--

Обмен серы у микроорганизмов

171

ность осуществлять стадию II, и у них могут протекать

только стадии III и IV. Те же штаммы, которые исполь-

зуют гомоцистеин, но не цистатионин, не могут осуще-

ствлять стадию III; у мутантов, которые могут расти

только в присутствии метионина, утеряна способность

проводить стадию IV. Интересно, что у простейших

Tetrahymena geleii пищевая потребность в метионине яв-

ляется абсолютной и метионин не может быть замещен

гомоцистеином даже в присутствии витамина B

и под-

ходящих донаторов метальных групп. Этот организм,

таким образом, не способен осуществлять стадию IV

синтеза.

Возможно, что у Aerobaeter aerogenes и у дрожжей

Saecharomyces существует второй путь синтеза метио-

нина, в котором нуклеозид 5'-метилтиоаденозин служит

промежуточным соединением. Это соединение, по-види-

мому, способно переносить свою тиометильную группу

на какое-либо четырехуглеродное соединение, например

а-аминомасляную кислоту, с образованием метионина.

Это было подтверждено в опытах с 5'-метилтиоаденози-

но'м, меченным С

и S

[15]. Происхождение серы этого

нуклеозида пока еще не известно.

Пр е в р а щ е н и е метионина в цистеин

Многие микроорганизмы, требующие в нормальных

условиях сульфат или цистеин в качестве главного ис-

точника серы, могут также использовать метионин. Эти

данные можно рассматривать как указание на то, что

такие микроорганизмы способны превращать метионин

в цистеин. Предполагают, что механизм этой реакции

близок к механизму аналогичной реакции у животных

(см. гл. III). Однако эта реакция происходит далеко не

у всех бактерий, что часто является следствием неспо-

собности их деметилировать метионин. Например, штам-

мы Lactobacillus casei, L. arabinosus и Leuconostoc те-

senteroid.es, при нормальных условиях требующие для

роста цистин, не растут при замещении этой аминокис-

лоты метионином, но растут в присутствии гомоцистеина

и серина [16]. Следовательно, эти бактерии не способны

i72

Глава IX

образовывать гомоцистеин из метионина, но могут пре-

вращать гомоцистеин в цистатионин и в цистеин. Коуи,

Болтон и Сэндс [17] в опытах с Escherichia coli наблю-

дали, что потребление S

MeTHOHHHa этими микроорга-

низмами составляет менее половины потребления мече-

ного цистина или неорганического сульфата, причем на

этот 'процесс не влияет присутствие в среде самых раз-

личных соединений серы. Метионин, потребляемый эти-

ми бактериями, .возможно, включался непосредственно

в белки клеток, без предварительного расщепления.

СИНТЕЗ БИОТИНА, ТИАМИНА И ЛИПОТИАМИДА

В тот период, когда биотин был признан фактором,

необходимым для роста микроорганизмов, но не была

еще определена его структура, было найдено, что пиме-

линовая кислота стимулирует рост различных штаммов

Corynebacterium diphtheriae. В дальнейшем было уста-

новлено, что у этих организмов биотин может замещать

пимелиновую кислоту, и в настоящее время полагают,

что пимелиновая кислота является предшественником

биотина. Другим промежуточным продуктом в процессе

образования биотина считают дестиобиотин — соедине-

ние, близкое к биотину. Предполагают, что главные сту-

пени синтеза биотина следующие:

I Il

Неизвестные предшественники —> Пимелиновая кислота -—>•

III

-—у Дестибиотин —>• Биотин

Микроорганизмы разных видов значительно различаются

по своей способности синтезировать биотин. В то время

как Bacillus subtilis образуют этот фактор роста из про-

стых предшественников, Lactobacillus casei не могут

осуществлять ни одной стадии в этом синтезе, и потреб-

ность их в биотине является абсолютной. Corynebacte-

riutn diphtheriae могут осуществлять стадии Il и III, но

не стадию I, в связи с чем эти микроорганизмы нуж-

даются для роста в предобразованной пимелиновой кис-