Янг Л., Моу Дж. Метаболизм соединений серы

Подождите немного. Документ загружается.

Обмен серы у микроорганизмов

173

лоте. Leuconostoc mesenteroides могут проводить только

стадию III синтеза, так как они используют дестибиотин,

но не пимелиновую кислоту.

Благодаря исследованиям, касающимся способности

различных микроорганизмов синтезировать тиамин или

использовать вместо него близкие соединения, удалось

выяснить некоторые стадии синтеза этого вещества:

Неизвестные I Пиримидиновая—

предшественники —> часть

Неизвестные II Тиазоловая

предшественники —>• часть

Тиамин —>

—> Тиаминпирофосфат

С. diphtheriae и Neisseria gonorrhoeae резко различаются

по способности синтезировать тиамин. С. diphtheriae,

очевидно, могут осуществлять все эти реакции, по-

скольку они не требуют ни предобразованного тиамина,

ни близких к нему соединений. Neisseria gonorrhoeae не

только не могут синтезировать тиамин, но даже неспо-

собны превращать его в пирофосфат (стадия IV). Strep-

tococcus salivarius может осуществлять только послед-

нюю стадию, но не может проводить другие и, следова

тельно, зависит от добавления тиамина извне. Другие

организмы занимают по отношению к синтезу тиамина

промежуточные положения. Например, Staphylococcus

aureus неспособны синтезировать отдельные гетероцик-

лические части молекулы тиамина, но могут осущест-

влять их соединение (стадии IIl и IV). Для Mucor гата-

nnianus необходима тиазоловая часть в форме различ-

ных производных тиазола, и эта плесень осуществляет

стадии I, III и IV. Дрожжи Endomyces vernalis нуж-

даются в пиримидиновой части тиамина и могут синте-

зировать вещества, образующиеся на стадиях II, III и

IV. Найт [1] в своем обзоре факторов роста микроорга-

низмов детально рассматривает типы соединений, кото-

рые могут быть использованы в качестве предшествен-

ников тиазоловой и пиримидиновой части молекулы тиа-

мина.

Известно, что а-липоевая кислота влияет на рост не

которых микроорганизмов и, возможно, играет опреде-

174

Г лава

III

ленную роль в их обмене. Рид и сотрудники [18] пока-

зали, что имеющиеся в продаже дрожжевые экстракты

содержат несколько форм липоевой кислоты, в которых

это соединение связано с тиамином. Показано, что не-

которые мутанты Е. coll растут в присутствии связанной

липоевой кислоты и неспособны использовать это соеди-

нение в свободном виде. При исследовании Streptococcus

Iactis было, однако, обнаружено, что они растут на сме-

си свободной липоевой кислоты и тиамина и образуют

связанную форму, ускоряющую рост у мутанта Е. coli.

Рид [19] высказал предположение, что в процессе обме-

на липоевая кислота реагирует с тиамином, образуя

липотиамид. Дальнейшие исследования этой реакции

представляют, несомненно, большой интерес '.

NH СО [CH

-CH CH

-CH

Cl"

W/ I

N I

-N °

Липотиамид

В дальнейших исследованиях Рид и сотрудники (Reed L ,

Leach F. и Koike M., Journ. biol. Chem., 232, 123 (1958) не смогли,

однако, подтвердить предположения, высказанного в предыдущих

работах, о том, что при реакции окислительного декарбоксилирова-

ния кетокислот липоевая кислота, участвующая в этой реакции в

качестве кофермента, образует соединение с тиаминпирофосфатом,

имеющее структуру липотиамида. При исследовании экстрактов из

клеток штамма Streptococcus faecalis, не содержащего липоевой

кислоты и неспособного в связи с этим декарбоксилировать кето-

кислоты, авторы установили, что при добавлении к этим экстрак-

там липоевой кислоты происходит связывание ее с белком и

одновременно восстанавливается способность экстрактов к дисму-

тации пировиноградной или кетоглутаровой кислоты. Для связы-

вания липоевой кислоты с белком-апоферментом необходимо было

наличие в экстракте АТФ, неорганического фосфата и ионов двух-

валентных металлов, но не требовалось наличия тиаминпирофос-

фата. — Прим. ред.

Обмен серы у микроорганизмов

175

СИНТЕЗ СОЕДИНЕНИИ СЕРЫ БАКТЕРИЯМИ КИШЕЧНИКА

И РУБЦА

Никакой обзор данных о синтетической активности

различных микроорганизмов нельзя считать полным,

если в нем не приводятся сведения о микробной флоре

кишечного тракта. Эти бактерии способны синтезировать

большинство витаминов группы В и аминокислоты в

количествах, имеющих большое значение в питании хо-

зяина [20]. Синтез биотина микробами, населяющими

кишечник крыс, полностью удовлетворяет потребность

этих животных, .в связи с чем невозможно вызвать у крыс

недостаточность биотина, скармливая им пищу, не со-

держащую этого соединения. Крысы, получающие такую

пищу, не только нормально растут, но даже выделяют

значительные количества биотина. Если, однако, в такую

пищу включить какой-либо малорастворимый сульф-

амид, то синтез биотина в кишечнике ослабляется или

полностью прекращается и у животного развиваются

явления недостаточности биотина.

У различных видов птиц и животных синтез тиамина

происходит главным образом в ободочной и слепой киш-

ке. Обычно общая величина синтеза недостаточна, что-

бы удовлетворить всю потребность организма-хозяина.

Наяр и Холт [21] нашли значительные количества ти-

амина бактериального происхождения в испражнениях

человека и показали, что выделение его с калом умень-

шается при исключении тиамина из пищи. Это уменьше-

ние связано с повышением всасывания тиамина, синтези-

рованного бактериями из кишечника. Выделение тиами-

на с калом уменьшалось также в том случае, когда под

действием сульфамидов активность бактерий кишечника

была понижена.

У жвачных животных синтез факторов роста кишеч-

ной флорой происходит не только в ободочной и слепой

кишке, но также в верхних отделах кишечника. В резуль-

тате этого факторы роста у жвачных синтезируются

с большей скоростью и они более доступны для исполь-

зования хозяином. Не удивительно поэтому, что жвач-

ные гораздо меньше зависят от снабжения ростовыми

факторами с пищей, чем другие виды животных. Значи-

Глава IX

тельное количество биотина и тиамина синтезируется в

рубце жвачных; в процессе переваривания пищи коли-

чество этих витаминов в рубце увеличивается за несколь-

ко часов во много раз. У козы, овцы и быка все незаме-

нимые аминокислоты, в том числе метионин, могут син-

тезироваться микроорганизмами рубца. О величине этого

синтеза можно судить по данным Гэллупа и сотрудников

[22], показавших, что у ягненка образование метионина

из неорганического сульфата под действием микроорга-

низмов достаточно для удовлетворения потребностей

ягненка в этой аминокислоте. Ценный обзор о питании

жвачных написан Хуфманом [23].

ПРЕВРАЩЕНИЯ СЕРУСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИИ

В МИКРООРГАНИЗМАХ

Многие изменения, которым подвергаются серусодер-

жащие соединения в процессе обмена в животных тка-

нях, встречаются также у микроорганизмов. Некоторые

из этих превращений рассматриваются ниже.

Метионин

Как уже указывалось, некоторые микроорганизмы

способны деметилировать метионин. Предполагают, что

в результате этого превращения образуется гомоцистеин,

но окончательно роль «активного метионина» как проме-

жуточного продукта в переносе метильного остатка, в

результате которого образуется S-аденозилгомоцистеин,

еще не выяснена. Различные бактерии, плесени и грибы

способны превращать метионин в метантиол, диметиди-

сульфид и в некоторых случаях — в диметилсульфид.

К этим бактериям относятся Pseudomonas и плесени

Aspergillus niger и Scopulariopsis brevieaulis. Pseudomo-

nas действует только на метионин [24], в то время как

другие бактерии могут расщеплять и соответствующую

а-кетокислоту. Каллио [24] назвал ферментную систему,

ответственную за образование метантиола из метионина,

детиометилазой.

Обмен серы у микроорганизмов

177

Метантиол и диметилсульфид являются также про-

дуктами обмена грибов Schizophyllum commune, вызы-

вающих гниение древесины; у этого организма источни-

ком серы указанных соединений служит неорганический

сульфат. Предполагают, что при образовании диметил-

сульфида происходит восстановление и метилирование

сульфата, протекающее следующим образом [25]:

- —• SO

- —CH

-SO

" —• CH

-SO

- —>•

—(CH

)

—> (CH

)

SO —> (CH

)

S —> CH

-SH.

У бактерий и плесеней имеются оксидазы аминокис-

лот и трансаминазы, осуществляющие превращение

D- и L-форм метионина в а-кето-^-метилтиомасляную

кислоту

-S-CH

-CH

-CO-CO

Эти трансаминазы нуждаются в наличии какого-либо

акцептора аминогруппы, например а-кетоглутаровой

кислоты. Механизм указанной реакции у микроорганиз-

мов, вероятно, сходен с механизмом ее у животных.

Шленк и Смит [26] установили, что у дрожжей метио-

нин используется в биосинтезе 5'-метилтиоаденозина, о

котором уже давно известно, что он является составной

частью этих микроорганизмов [27]. Накопление его в

дрожжевых клетках зависит от количества метионина в

культуральной среде; при помощи метионина, меченного

и S

, было установлено, что в молекулу нуклеозида

включается тиометилгруппа (CH

S—), а не углеродная

цепь. Этот процесс получил название транстиометилиро-

вания, и Шленк и Смит предположили, что после перво-

начального превращения метионина в S-аденозилметио-

нин происходит гидролитическое расщепление этого про-

дукта на метилтиоаденозин и гомосерин:

Ад

•

S- CH

•

- CH (NH

)

•

H + ОН~ >

-—> Ад

•

-f НО

•

• CH (NH

) • CO

(Ад — 5'-дезоксиаденозил)

178

Г лава

III

Бэддили, Кантони и Джеймисон [28] осуществили хими-

чески последнюю стадию путем мягкого щелочного гид-

ролиза сульфониевого соединения.

Ниже приведены некоторые реакции превращений

метионина, которые, как полагают, встречаются у микро-

организмов.

Гомоцистеин Цистатионин »- Цистеин

Недавно в опытах с этионином (этиловым аналогом

метионина) установлено, что в дрожжах он может под-

вергаться процессу транстиоэтилирования, а у Tetrahy-

тепа geleii — даже включается в белки клеток.

Ц и с т е и н и цистин

Кирни и Сингер [29, 30] детально исследовали некото-

рые реакции окисления цистеина у Proteus vulgaris. По-

видимому, у этого микроорганизма последовательность

реакций окисления цистеина такая же, как у животных

(см. гл. II).

Полагают, что окисление цистеина происходит с обра-

зованием цистеинсульфиновой кислоты в качестве про-

межуточного продукта и последующего переаминирова-

ния этого соединения с щавелевоуксусной или а-кетоглу-

таровой кислотой с образованием (З-сульфинилпировино-

Обмен серы у микроорганизмов

179

градной кислоты. Последняя при десульфировании обра-

зует сульфит и пировиноградную кислоту:

-SH

•

-—> СО +SO

-- —* SO

Известно, что окисление цистеина до сульфата происхо-

дит и в других бактериях, а также плесенях и грибах;

вполне вероятно, что механизм этой реакции у них тот

же, что и у Proteus vulgaris.

Образование сероводорода из цистеина, цистина и

родственных соединений происходит у самых различных

микроорганизмов [31]. Предполагают, что у них, как и

у животных, существует два пути превращения серы

цистеина в сероводород. Один из них — непосредствен-

ная десульфгидратация с образованием сероводорода,

пировиноградной кислоты и аммиака [32]. Имеются не-

которые данные о том, что на первой стадии этого про-

цесса может образовываться и (3-меркаптопировиноград-

ная кислота [33]. Заслуживает внимания, что у дрожжей

сероводород образуется из |3-меркаптопиро

виноградной

кислоты быстрее, чем из цистеина [34]. Второй путь —

это трансаминирование цистеина, приводящее к образо-

ванию p-меркаптопировиноградной кислоты с последую-

щим расщеплением ее до пировиноградной кислоты и

элементарной серы [35]. Образующаяся сера при взаимо-

действии с тиоловыми группами может восстанавли-

ваться до сероводорода. Майстер и сотрудники подтвер-

дили наличие этого пути обмена, показав образование

серы из p-меркаптопировиноградной кислоты препара-

тами Е. coli и Aerobaeter aerogenes. Кроме того, изве-

стно, что Achromobaeter eystinovorum [36] образует

элементарную серу из цистина. Поскольку 3-меркапто-

пировиноградная кислота является промежуточным про-

•

I-

•

-SO

со

180

Г лава

III

дуктом и в том и в другом предполагаемом пути

десульфирования цистеина, возникает вопрос, разли-

чаются ли в действительности эти два пути?

Многие микроорганизмы восстанавливают цистин в

цистеин. Эту реакцию осуществляют различные дрожжи,

в которых обнаружены специфические редуктазы, про-

являющие активность в присутствии дифосфопиридин-

нуклеотида в качестве переносчика водорода [37]:

UHCS-SUHC +ДПН-Н-f H

-—* 2Цис5Н + ДПН

Недавно Рэккер [38] получил из пекарских дрожжей

редуктазу глутатиона, для которой как дифосфопири-

диннуклеотид, так и трифосфопиридиннуклеотид могут

служить в качестве переносчиков водорода.

Цистеин используется микроорганизмами для обра-

зования глутатиона и кофермента А, а также для син-

теза таких соединений, как пенициллин, образование

которого является специфическим для некоторых микро-

организмов. Превращения цистеина у микроорганизмов

суммированы в следующей схеме:

Метион!

Сера

Цистеинсульфиновая

ки слота

Сульфат

Алифатические сульфиды и дисульфиды

Челленджер и Чарлтон [25] показали, что некоторые

плесени, в том числе Scopulariopsis brevicaulis, Asper-

gillus niger и Penicillium notatum, действуют на ряд тио-

эфиров, превращая их в тиолы. S-Метил-, S-этил- и S-

пропилцистеин превращаются таким путем в соответст-

Цистатионин »- Гомоцистеин

Цистин * Цистеин

•

p-Меркаптопировиноградная -

I кислота

' Сероводород -»

Обмен серы, у микроорганизмов

181

вующие метан-, этан- и пропантиолы. Указанные микро-

организмы восстанавливают также многие диалкилди-

сульфиды в соответствующие тиолы. При образовании

тиолов из тиоэфиров и дисульфидов обычно появляются

соответствующие алкилметилсульфиды, метальные груп-

пы которых, как показано в опытах с соединениями, ме-

'ченными С

, происходят из холина или муравьиной кис-

лоты [39], как и щ реакциях метилирования у животных.

Сульфониевые соединения

Различные плесени способны расщеплять сульфоние-

вые соединения, содержащие S-карбоксиалкильные груп-

пы [40]. Эти группы отщепляются от сульфониевого кон-

ца с образованием тиоэфира. P. notatum, например,

расщепляет соли диметил-]3-протиотетина и метионинме-

тилсульфония до диметилсульфида, хотя этот микроорга-

низм не оказывал действия на диметилтетин. S. brevi-

caulis не действует на диметилтетин и диметилпропио-

тетин, но превращает диэтилтетин в диэтилсульфид.

Имеются данные о том, что у микроорганизмов соли

метионинметилсульфония могут действовать в качестве

донаторов метальных групп для гомоцистеина, посколь-

ку смесь такой соли и гомоцистеина поддерживает рост

Aerobacter aerogenes, тогда как эти соединения, введен-

ные раздельно, не эффективны [41]. Аналогичные данные

получены с дрожжами Torula utilis. Участие метионин-

метилсульфония в обмене бактерий вытекает также из

опытов Шайва и сотрудников [42], показавших, что это

производное метионина более эффективно, чем сам ме-

тионин, в поддержании роста бактерий и снятии анти-

бактериального действия сульфамидов. Возможно, это

соединение играет роль, аналогичную S-аденозилметио-

нину, в качестве биологически активной формы метио-

нина.

ОБМЕН СЕРУСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИИ

У АУТОТРОФНЫХ БАКТЕРИИ

Большинство гетеротрофных бактерий может исполь-

зовать неорганические формы серы, но только для неко-

торых из них обмен элементарной серы и неорганические;

13 Зак. 255?.

182

Г лава

III

серусодержащих соединений служит первичным источ-

ником энергии. Различные происходящие при этом реак-

ции связаны с восстановлением двуокиси углерода до

одноуглеродных соединений, например формальдегида.

Аутотрофные организмы этого типа очень широко рас-

пространены в природе; они обитают в почве, пресной и

морской воде и приспособились к всевозможным усло-

виям существования [43]. Отдельные виды найдены в

горячих минеральных источниках с температурой выше

80°, а некоторые виды выживают при действии серной

кислоты в концентрации до 10%- Эти организмы часто

объединяют под названием «серные бактерии», хотя в

точном смысле слова это название относится только к

тем бактериям, которые образуют внутри или вне клетки

элементарную серу. Серные бактерии можно разбить на

следующие группы:

а) бесцветные серные бактерии, окисляющие серу

сульфида до внутриклеточной элементарной серы;

б) представители рода Thiobacillus, окисляющие суль-

фид до 'внеклеточной серы, которая затем, так же как и

другие неорганические соединения серы, может окис-

ляться в сульфат;

в) окрашенные серные бактерии, способные к фото-

синтезу и осуществляющие многие реакции, протекаю-

щие у бактерий групп (а) и (б);

г) бактерии, восстанавливающие сульфат, сульфит и

тиосульфат в сульфид.

Бесцветные серные бактерии

Виноградский [44] впервые систематически исследо-

вал Beggiatoa и Thiothrix — два наиболее хорошо изу-

ченных рода в этой большой группе организмов. Эти

бактерии являются строгими аутотрофами, требующими

аэробных условий и источник CO

. Они окисляют серу

сульфида до элементарной серы, накапливающейся в

форме гранул внутри клеток. Если количество сульфида

в среде недостаточно, то необходимая клеткам энергия

получается путем окисления серы этих гранул до суль-

фата. Некоторые штаммы этих бактерий в процессе бы-