Анаэробные бактерии: Роль анаэробных бактерий в производстве биогаза из отходов. Справка

Роль анаэробных бактерий в производстве биогаза из отходов. Справка

В дальнейшем оказалось, что спорообразующие анаэробы – не какие-нибудь редко встречающиеся диковинки, а очень широко распространенные по всей поверхности Земли организмы. Последующие исследования многих микробиологов показали, что самые различные природные среды, в том числе полностью лишенные молекулярного кислорода, населены множеством микроскопических организмов, принимающих самое активное участие в круговороте веществ на Земле.

Глубокое изучение обмена веществ анаэробов позволило использовать их в промышленности как продуцентов ряда ценных для народного хозяйства соединений.

В настоящее время промышленность и жилые массивы производят большое количество отходов, которые необходимо утилизировать и переработать. Из органических отходов можно получить биогаз. В анаэробных условиях бактерии разлагают органический субстрат, а биогаз является промежуточным продуктом их обмена веществ.

В мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60 разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространённый метод – анаэробное сбраживание в метатанках (резервуары для биологической переработки), без доступа воздуха, или анаэробных колоннах. Часть энергии, получаемой в результате утилизации биогаза, направляется на поддержание процесса.

Бактерии перерабатывают биомассу в биогаз при температуре свыше 25°С. В странах с жарким климатом нет необходимости подогревать метатанк.

Процесс основан на разложении (гниении) под воздействием бактерий, принадлежащих к двум большим семействам асидогенов и метаногенов, предварительно сортированного ТБО (органические отходы, густая грязь) в металлических емкостях без доступа воздуха при средней температуре около + 55°C. Этот газ подается под давлением в очистительную систему, а потом выделяется в два компонента – метан и углекислый газ.

Биогаз состоит из 55-75% метана и 25-45% углекислого газа, включая небольшие примеси сероводорода. Период образования качественного биогаза составляет от 7 до 15 дней.

Процесс разложения происходит в четыре этапа, в каждом из которых участие принимают разные группы бактерий.

На первом этапе аэробные бактерии перестраивают высокомолекулярные органические субстанции (белок, углеводы, жиры, целлюлозу) с помощью энзимов на низкомолекулярные соединения, такие как моносахариды, аминокислоты, жирные кислоты и воду. Этот процесс называется гидролиз.

Далее расщеплением занимаются кислотообразующие бактерии. В этом процессе частично принимают участие анаэробные бактерии, употребляющие остатки кислорода и образующие тем самым необходимые для метановых бактерий анаэробные условия. На этом этапе вырабатываются: кислоты (уксусная, муравьиная, масляная, пропионовая, капроновая и молочная), спирты и кетоны (метанол, этанол, пропанол, бутанол, глицерин и ацетон), газы (двуокись углерода, углерод, сероводород и аммиак). Этот этап называют этапом окисления.

После этого кислотообразующие бактерии создают из органических кислот исходные продукты для образования метана: уксусную кислоту, двуокись углерода и водород.

На последнем этапе образуется метан, двуокись углерода и вода. 90% всего метана вырабатывается на этом этапе, 70% происходит из уксусной кислоты. Таким образом, образование уксусной кислоты (то есть третий этап расщепления) является фактором, определяющим скорость образования метана.

Получение биогаза экономически оправдано при переработке постоянного потока отходов, например на животноводческих фермах.

Россия ежегодно накапливает до 300 млн тонн в сухом эквиваленте органических отходов: 250 млн тонн в сельскохозяйственном производстве, 50 млн тонн в виде бытового мусора. Эти отходы являются сырьем для производства биогаза. Потенциальный объем ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд куб. м.

Биогаз собирают, предотвращая загрязнение атмосферы, и используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива. С учетом российских условий метан, выработанный из биогаза, или биогаз в основном его виде могут использоваться в виде топлива для малых котельных, автотранспорта и выработки электроэнергии.

Выделенный метан из биогаза является сырьем для получения многих ценных продуктов химической промышленности – метанола, формальдегида, ацетилена, сероуглерода, хлороформа, синильной кислоты, сажи.

Оставшийся высококачественный компост и обогащенное азотом удобрение продаётся предприятиям сельского хозяйства и частным лицам.
Данная технология считается полностью безотходным производством, где каждый компонент имеет свое применение.

Материал подготовлен на основе информации открытых источников

Аэробные и анаэробные бактерии | В чем различие?

• Какие именно бактерии используются в станциях биологической очистки и в чем отличие одних от других?
• Что нельзя делать, чтобы ваша колония бактерий в септике не погибла?

Читайте в статье.

Бактерии живут во всем окружающем нас мире, в земле, воздухе, на вашем рабочем столе и экране телефона. Основная классификация бактерий основана на том, необходим ли им кислород для жизнедеятельности или нет.

Анаэробные бактерии

Анаэробные бактерии не нуждаются в кислороде и способны жить в различных средах, где нет света и кислорода, например, в почве, в желудочно-кишечном тракте животных и человека и т.д. Анаэробные бактерии отвечают за гниение, процессе их деятельности органические соединения постепенно разлагаются с выделением метана, который и является причиной неприятного гнилостного запаха.

Анаэробные бактерии царствуют в пластиковых септиках

Пластиковые септики представляют собой емкость с небольшими отверстиями, иногда разделенную перегородками. Малое количество кислорода дает плодородную среду для появления и развития этих бактерий. Отходы в таком септике не перерабатываются полностью — часть из них образуют твердый осадок, оседая на дно и медленно перегнивая. Степень очистки стоков в таком септике не превышает 30-40%, а темная, влажная среда способствует развитию вредных микроорганизмов, в связи с чем, воду и отходы с такого септика нельзя использовать для удобрения — это может привести к заражению. С небольшой периодичностью такие септики необходимо откачивать ассенизаторской машиной.

Наглядный пример принципа работы такого септика — обычный деревянный туалет, имеющий характерный запах работы анаэробных организмов.

Именно анаэробные микроорганизмы вызывают воспалительно-гнойные заболевания различных видов:

• гангрены;
• абсцессы;
• пневманию;
• менингиты;
• инфекции глубоких тканей;
• некрозы и другие заболевания инфекционного характера.

Однако другой подвид анаэробных бактерий также являются частью нормальной микрофлоры кишечника человека и полости рта. Таким образом, различные подвиды анаэробов могут быть как полезными, так и опасными для человека. 

Аэробные бактерии

Другой группой бактерий выступают аэробные микроорганизмы. Они живут только в присутствии кислорода и вызывают не гниение, а окисление органики в процессе синтеза энергии, при этом выделяется тепло и углекислота, а не метан, поэтому неприятного запаха в процессе переработки отходов жизнедеятельности человека не возникает. Органические отходы под действием аэробов преобразуются в активный ил и чистую, прозрачную воду. Именно на этом принципе работает любая автономная канализация для загородного дома: как чешский Топас, так и его русский аналог — Юнилос Астра, и недавно появившиеся станции Евробион и Биодека.

С помощью постоянной подачи кислорода и поступления органических отходов в станцию биологической очистки, поддерживается существование колонии аэробных бактерий. После переработки сточных вод, чистая вода из автономной канализации удаляется в канаву или дренажный колодец, а активный ил оседает на дне и стенках станции. Активный ил достаточно чистить раз в 3-6 месяцев, в зависимости от активности эксплуатации. Сточные воды очищаются до 98% и чистая вода из станции может использоваться для полива не плодовых деревьев, газонов, мытья дорожек, веранды или машины.

Как попадают бактерии в автономную канализацию

Бактерии в автономной канализации появляются естественным образом после начала ее использования, дополнительное добавление бактерий в нее не требуется. При грамотной установке и эксплуатации согласно рекомендациям производителя, в дальнейшем покупка бактерий также является лишней тратой денег. Первым признаком неправильной работы станции является сильный гнилостный запах из нее, если его нет, то бактерии в вашей станции отлично справляются со своей задачей. В случае появления неприятного запаха из канализации, обратитесь в компанию, которая производила установку станции, возможно, дело вовсе не в гибели бактерий, а в поломке какой-либо системы.

Как уберечь бактерии от гибели?

1. Пользуйтесь станцией регулярно, так как бактериям нужна пища. При этом лить в станцию кефир, молоко и прочую человеческую еду также не нужно, бактерии питаются отходами человеческой деятельности.
2. При долгом отсутствии в доме (например, в зимнее время), консервируйте станцию.
3. Не используйте средства, содержащие хлор, фенол, щелочи, кислоты, альдегиды и т.д. В основном, поколение современных моющих средств не содержат вышеперечисленные вещества, тем не менее стоит внимательно читать этикетку.
4. Пользуйтесь мягкой туалетной бумагой, не спускайте в канализацию мусор, овощные очистки, предметы гигиены и т.д.
5. Проводите регулярное сервисное обслуживание самостоятельно или при помощи специалиста компании.

Биологи уличили анаэробные бактерии в клеточном дыхании с помощью Rnf-насоса

Kuhns, Martin et al./ Communication Biology, 2020

Биологи доказали, что бактерии Thermotoga maritima используют мембранный белковый комплекс Rnf для клеточного дыхания — говорится в исследовании, опубликованном Communications Biology. Ученые выделили этот белок из бактериальных клеток и выяснили, что он работает как молекулярный насос — переносит через мембрану ионы Na⁺. Вместе с натриевой АТФ-синтазой комплекс Rnf формирует простую дыхательную цепь.

Клеточное дыхание — это последовательность химических превращений, в ходе которых клетка запасает энергию в виде молекул АТФ. В большинстве клеток эти превращения происходят при помощи ферментов дыхательной цепи. Они запасают энергию в два этапа: сначала молекулы-насосы перекачивают ионы через мембрану, создавая электрический потенциал, после чего заряды проходят обратно, сообщая энергию ферменту АТФ-синтазе, который и создает АТФ. 

В эукариотических клетках дыхательная цепь расположена в мембране митохондрий и насчитывает пять комплексов. Но бактерии-анаэробы порой обходятся всего двумя: одной молекулой-насосом и АТФ-синтазой, которая тоже переносит ионы сквозь мембрану для запасания энергии. В дыхательной цепи бактерии часто используют NAD и ферредоксин — молекулы, которые переносят электроны между «звеньями». Сначала такая молекула восстанавливается, забирая электрон, а потом — окисляется, передавая его дальше в цепь. 

Гены Rnf часто встречаются в геномах бактерий и их продукты до сих пор считались участниками клеточного дыхания у прокариот. На основе биохимических и генетических данных ученые выдвинули гипотезу о том, что эти белки закрепляются в мембране и участвуют в электронном транспорте. Однако выделить фермент и доказать его свойства не удавалось: белок неизбежно деградировал. 

Мартин Кухнс (Martin Kuhns) и Драган Трифунович (Dragan Trifunović) из Франкфуртского института молекулярной биологии предположили, что тот же белок термофильных бактерий может оказаться стабильнее своих молекулярных родственников у других организмов. Для исследования ученые выбрали T. maritima — анаэробную бактерию, которая была впервые обнаружена в горячих водах вблизи итальянского города Вулкано. Идеальная температура для нее — около 80 градусов Цельсия.

В строго анаэробных условиях исследователям удалось выделить фермент со специфической оксидо-редуктазной активностью. В ходе изучения его свойств оказалось, что белок обладает сразу и АТФ-азной активностью, и способностью к окислению и восстановлению NAD. То есть выделенное вещество состояло из двух ферментов: оксидоредуктазы Rnf и АТФ-азы F1F0. Результаты анализа ученые оценили при помощи гель-электрофореза белков.

Разделение и идентификация белков Rnf и F1F0 на гель-электрофорезе

Kuhns, Martin et al./ Communication Biology, 2020

Предполагаемая масса белка Rnf — 160 килодальтон, то есть в выделенной смеси оказались и мономер белка, и его димер. Масса АТФ-азы F1F0 тоже совпала с теоретической — 550 килодальтон. После разделения соответствующие полоски белков выделили из геля. Чтобы установить, действительно ли суперкомплекс из двух белков участвует в дыхании, работу его компонентов оценили при разных концентрациях ионов. Оказалось, что активность F1F0 растет пропорционально концентрации натрия, а Rnf и вовсе не работает без этого иона. 

Чтобы воссоздать работу суперкомплекса в мембране, ученые встроили его в липосому — специальный мембранный микрошарик. Это оказалось не так просто — ведь белки эффективно работают на высоких температурах, при которых липосомы теряли стабильность. Тогда решено было проводить эксперимент при температуре 45 градусов Цельсия, при которой активность АТФ-азы составляла 65% от оптимальной. В таких условиях липосома оставалась стабильной. 

Транспорт натрия белками Rnf и АТФ-азой F1F0, встроенными в липосому, до и после добавления субстратов

Kuhns, Martin et al./ Communication Biology, 2020

Биологи хотели показать, что оба белка действительно транспортируют ионы сквозь мембрану. После их встройки исследователи поместили липосомы в раствор с ионами натрия. Затем они добавили субстрат: АТФ для АТФ-азы и NAD для Rnf. В обоих случаях произошел скачок концентрации натрия внутри липосомы. Биологи объясняют это транспортной натрий-зависимой активностью белков. Так Франкфуртские исследователи доказали давнюю гипотезу о функции гена Rnf у бактерий-анаэробов. 

Эти организмы обычно используют в качестве окислителя не кислород, как аэробы, а серу, железо и азот. Но недавно были обнаружены хемосинтезирующие бактерии, которые способны фиксировать углерод за счет энергии окисления марганца. Ученые считают, что они могут замыкать природные циклы марганца и влиять на круговорот других элементов.

Анна Муравьева

Анаэробные организмы — это… Что такое Анаэробные организмы?

Аэробные и анаэробные бактерии предварительно идентифицируются в жидкой питательной среде по градиенту концентрации O₂:
1. Облигатные аэробные (нуждающиеся в кислороде) бактерии в основном собираются в верхней части пробирки, чтобы поглощать максимальное количество кислорода. (Исключение: микобактерии — рост пленкой на поверхности из-за восколипидной мембраны.)
2. Облигатные анаэробные бактерии собираются в нижней части, чтобы избежать кислорода (либо не дают роста).
3. Факультативные бактерии собираются в основном в верхнем (окислительное фосфорилирование является наиболее выгодным, чем гликолиз), однако они могут быть найдены на всем протяжении среды, так как от O₂ не зависят.
4. Микроаэрофилы собираются в верхней части пробирки, но их оптимум — малая концентрация кислорода.
5. Аэротолерантные анаэробы не реагируют на концентрации кислорода и равномерно распределяются по пробирке.

Анаэробы — организмы, получающие энергию при отсутствии доступа кислорода путем субстратного фосфорилирования, конечные продукты неполного окисления субстрата при этом могут быть окислены с получением большего количества энергии в виде АТФ в присутствии конечного акцептора протонов организмами, осуществляющими окислительное фосфорилирование.

Анаэробы — обширная группа организмов, как микро-, так и макроуровня:

Помимо этого анаэробное окисление глюкозы играет важную роль в работе поперечно-полосатой мускулатуры животных и человека (особенно в состоянии тканевой гипоксии).

Термин «анаэробы» ввел Луи Пастер, открывший в 1861 году бактерии маслянокислого брожения. Анаэробное дыхание — совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов при использовании в качестве конечного акцептора протонов не кислорода, а других веществ (например, нитратов) и относится к процессам энергетического обмена (катаболизм, диссимиляция), которые характеризуются окислением углеводов, липидов и аминокислот до низкомолекулярных соединений.

Степень аэробности среды

Интерполяция руководства к системам BD Gaspak, описывающая условия среды генерируемые пакетом^[1]

Для измерения потенциала среды М. Кларк предложил использовать величину pH₂⁰ — отрицательный логарифм парциального давления газообразного водорода. Диапазон [0-42,6] характеризует все степени насыщения водного раствора водородом и кислородом. Аэробы растут при более высоком потенциале [14-20], факультативные анаэробы [0-20], а облигатные — при наиболее низком [0-10].^[2]

Классификация анаэробов

Согласно устоявшейся в микробиологии классификации, различают:

• Факультативные анаэробы
• Капнеистические анаэробы и микроаэрофилы
• Аэротолерантные анаэробы
• Умеренно-строгие анаэробы
• Облигатные анаэробы

Если организм способен переключаться с одного метаболического пути на другой (например, с анаэробного дыхания на аэробное и обратно), то его условно относят к факультативным анаэробам^[3].

До 1991 года в микробиологии выделяли класс капнеистических анаэробов, требовавших пониженной концентрации кислорода и повышенной концентрации углекислоты (Бруцеллы бычьего типа — B. abortus)^[2]

Умеренно-строгий анаэробный организм выживает в среде с молекулярным O₂, однако не размножается. Микроаэрофилы способны выживать и размножаться в среде с низким парциальным давлением O₂.

Если организм не способен «переключиться» с анаэробного типа дыхания на аэробный, но не гибнет в присутствии молекулярного кислорода, то он относится к группе аэротолерантных анаэробов. Например, молочнокислые и многие маслянокислые бактерии

Облигатные анаэробы в присутствии молекулярного кислорода O₂ гибнут — например, представители рода бактерий и архей: Bacteroides, Fusobacterium, Butyrivibrio, Methanobacterium). Такие анаэробы постоянно живут в лишенной кислорода среде. К облигатным анаэробам относятся некоторые бактерии, дрожжи, жгутиковые и инфузории.

Токсичность кислорода и его форм для анаэробных организмов

Среда с содержанием кислорода является агрессивной по отношению к органическим формам жизни. Это связано с образованием активных форм кислорода в процессе жизнедеятельности или под действием различных форм ионизирующего излучения, значительно более токсичных, чем молекулярный кислород O₂. Фактор, определяющий жизнеспособность организма в среде кислорода^[4] — наличие у него функциональной антиоксидантной системы, способной к элиминации:супероксид-аниона(O₂⁻),перекиси водорода(H₂O₂), синглетного кислорода(O^.), а также молекулярного кислорода (O₂) из внутренней среды организма. Наиболее часто подобная защита обеспечивается одним или несколькими ферментами:

• супероксиддисмутаза, элиминирующая супероксид-анион(O₂⁻) без энергетической выгоды для организма
• каталаза, элиминирующая перекись водорода(H₂O₂) без энергетической выгоды для организма
• цитохром— фермент, отвечающий за перенос электронов от NAD•H к O₂. Этот процесс обеспечивает существенную энергетическую выгоду организму.

Аэробные организмы содержат чаще всего три цитохрома, факультативные анаэробы — один или два, облигатные анаэробы не содержат цитохромов.

Анаэробные микроорганизмы могут активно воздействовать на среду^[2] , создавая подходящий окислительно-восстановительный потенциал среды (напр. Cl.perfringens). Некоторые засеянные культуры анаэробных микроорганизмов, прежде чем начать размножаться, снижают pH₂⁰ с величины [20-25] до [1-5], ограждая себя восстановительным барьером, другие — аэротолерантные — в процессе жизнедеятельности продуцируют перекись водорода, повышая pH₂^0[5].

Дополнительная антиоксидантная защита может обеспечиваться синтезом или накоплением низкомолекулярных антиоксидантов: витамина С, А, E, лимонной и других кислот.

Получение энергии путем субстратного фосфорилирования. Брожение. Гниение.

Схема гликолиза с образованием молочной кислоты

• Также анаэробные организмы могут получать энергию путем катаболизма аминокислот и их соединений (пептидов, белков). Такие процессы именуют гниением, а микрофлору в энергетическом обмене которой преобладают процессы катаболизма аминокислот называют гнилостной.
• Анаэробные микроорганизмы расщепляют гексозы (например, глюкозу) разными путями:
  • Гликолиз (Путь Эмдена-Мейергофа) после которого продукт подвергается брожению
  • окислительный пентозофосфатный путь (другие названия: Фосфогликонатный путь, иначе гексозомонофосфатный(ГКМ), иначе путь Варбурга — Диккенса — Хореккера)
  • Путь Энтнера — Дудорова (особенно значимый, когда субстратами служат глюконовая, маннановая, гексуроновые кислоты или их производные)

В качестве примера организма, сбраживающего сахара по пути Энтнера — Дудорова, можно привести облигатно анаэробную бактерию Zymomonas mobilis. Однако ее изучение позволяет предполагать, что Z. mobilis — вторичный анаэроб, произошедший от цитохромсодержащих аэробов. Путь Энтнера — Дудорова обнаружен и у некоторых клостридиев, что еще раз подчеркивает неоднородность эубактерий, объединенных в эту таксономическую группу.^[6].

При этом характерным только для анаэробов является гликолиз, который в зависимости от конечных продуктов реакции разделяют на несколько типов брожению:

В результате расщепления глюкозы расходуется 2 молекулы, а синтезируется 4 молекулы АТФ. Таким образом общий выход АТФ составляет 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАД·Н₂. Полученный в ходе реакции пируват утилизируется клеткой по-разному в зависимости от того, какому типу брожения она следует.

Антагонизм брожения и гниения

В процессе эволюции сформировался и закрепился биологический антагонизм бродильной и гнилостной микрофлоры:

Расщепление микроорганизмами углеводов сопровождается значительным снижением pH среды, в то время как расщепление белков и аминокислот — повышением (защелачиванием). Приспособление каждого из организмов к определенной реакции среды играет важнейшую роль в природе и жизни человека, например, благодаря бродильным процессам предотвращается загнивание силоса, заквашенных овощей, молочных продуктов.

Культивирование анаэробных организмов

Выделение чистой культуры анаэробов схематично

Культивирование анаэробных организмов в основном является задачей микробиологии.

Сложнее дело обстоит с культивированием анаэробных многоклеточных организмов, поскольку для их культивирования часто необходима специфическая микрофлора, а также определённые концентрации метаболитов. Применяется, например, при исследовании паразитов человеческого организма.

Для культивирования анаэробов применяют особые методы, сущность которых заключается в удалении воздуха или замены его специализированной газовой смесью (или инертными газами) в герметизированных термостатах — анаэростатах^[7].

Другим способом выращивания анаэробов(чаще всего микроорганизмов) на питательных средах — добавление содержащих редуцирующие вещества (глюкозу, муравьинокислый натрий и др.), уменьшающие окислительно-восстановительный потенциал.

Общие питательные среды для анаэробных организмов

Для общей среды Вильсона — Блера базой является агар-агар с добавлением глюкозы, сульфита натрия и двуххлористого железа. Клостридии образуют на этой среде колонии чёрного цвета за счет восстановления сульфита до сульфид — аниона, который соединяясь с катионами железа (II) дает соль чёрного цвета. Как правило, черные на этой среде образования колонии, появляются в глубине агарового столбика.^[8]

Среда Китта — Тароцци состоит из мясопептонного бульона, 0,5% глюкозы и кусочков печени или мясного фарша для поглощения кислорода из среды. Перед посевом среду прогревают на кипящей водяной бане в течение 20 — 30 минут для удаления воздуха из среды. После посева питательную среду сразу заливают слоем парафина или вазелинового масла для изоляции от доступа кислорода.

Общие методы культивирования для анаэробных организмов

GasPak — система химическим путем обеспечивает постоянство газовой смеси, приемлемой для роста большинства анаэробных микроорганизмов. В герметичном контейнере, в результате реакции воды с таблетками боргидрида натрия и бикарбоната натрия образуется водород и диоксид углерода. Водород затем реагирует с кислородом газовой смеси на палладиевом катализаторе с образованием воды, уже вторично вступающей в реакцию гидролиза боргидрида.

Данный метод был предложен Брюером и Олгаером в 1965 году. Разработчики представили одноразовый пакет, генерирующий водород, который был позднее усовершенствован ими до саше, генерирующих двуокись углерода и содержащих внутренний катализатор^[9][10].

Метод Цейсслера применяется для выделения чистых культур спорообразующих анаэробов. Для этого производят посев на среду Китт-Тароцци, прогревают 20 мин при 80 °C (для уничтожения вегетативной формы), заливают среду вазелиновым маслом и инкубируют 24 ч в термостате. Затем производят посев на сахарно-кровяной агар для получения чистых культур. После 24-часового культивирования интересующие колонии изучаются — их пересеивают на среду Китт-Тароцци (с последующим контролем чистоты выделенной культуры).

Метод Фортнера

Метод Фортнера — посевы производят на чашку Петри с утолщенным слоем среды, разделённым пополам узкой канавкой, вырезанной в агаре. Одну половину засевают культуру аэробных бактерий, на другую — анаэробных. Края чашки заливают парафином и инкубируют в термостате. Первоначально наблюдают рост аэробной микрофлоры, а затем (после поглощения кислорода) — рост аэробной резко прекращается и начинается рост анаэробной.

Метод Вейнберга используется для получения чистых культур облигатных анаэробов. Культуры, выращенные на среде Китта-Тароцци, переносят в сахарный бульон. Затем одноразовой пастеровской пипеткой материал переносят в узкие пробирки (трубки Виньяля) с сахарным мясо-пептонным агаром, погружая пипетку до дна пробирки. Засеянные пробирки быстро охлаждают, что позволяет фиксировать бактериальный материал в толще затвердевшего агара. Пробирки инкубируют в термостате, а затем изучают выросшие колонии. При обнаружении интересующей колонии на её месте делают распил, материал быстро отбирают и засеивают на среду Китта-Тароцци (с последующим контролем чистоты выделенной культуры).

Метод Перетца

Метод Перетца — в расплавленный и охлаждённый сахарный агар-агар вносят культуру бактерий и заливают под стекло, помещённое на пробковых палочках(или фрагментах спичек) в чашку Петри. Метод наименее надежен из всех, но достаточно прост в применении.

Дифференциально — диагностические питательные среды

• Среды Гисса («пестрый ряд»)
• Среда Ресселя (Рассела)
• Среда Эндо
• Среда Плоскирева или бактоагар «Ж»
• Висмут-сульфитный агар

Среды Гисса: К 1 % пептонной воде добавляют 0,5 % раствор определенного углевода (глюкоза, лактоза, мальтоза, маннит, сахароза и др.) и кислотно-щелочной индикатор Андреде, разливают по пробиркам, в которые помещают поплавок для улавливания газообразных продуктов, образующихся при разложении углеводородов.

Среда Ресселя (Рассела) применяется для изучения биохимических свойств энтеробактерий(шигелл, сальмонелл). Содержит питательный агар-агар, лактозу, глюкозу и индикатор (бромтимоловый синий). Цвет среды травянисто-зелёный. Обычно готовят в пробирках по 5 мл со скошенной поверхностью. Посев осуществляют уколом в глубину столбика и штрихом по скошенной поверхности.

Среда Эндо

Среда Плоскирева (бактоагар Ж) — дифференциально-диагностическая и селективная среда, поскольку подавляет рост многих микроорганизмов, и способствует росту патогенных бактерий (возбудителей брюшного тифа, паратифов, дизентерии). Лактозоотрицательные бактерии образуют на этой среде бесцветные колонии, а лактозоположительные — красные. В составе среды — агар, лактоза, бриллиантовый зелёный, соли желчных кислот, минеральные соли, индикатор (нейтральный красный).

Висмут-сульфитный агар предназначен для выделения сальмонелл в чистом виде из инфицированного материала. Содержит триптический гидролизат, глюкозу, факторы роста сальмонелл, бриллиантовый зелёный и агар. Дифференциальные свойства среды основаны на способности сальмонелл продуцировать сероводород, на их устойчивости к присутствию сульфида, бриллиантового зелёного и лимоннокислого висмута. Маркируются колонии в чёрный цвет сернистого висмута (методика схожа со средой Вильсона — Блера).

Метаболизм анаэробных организмов

Метаболизм анаэробных организмов имеет несколько различных подгрупп:

Анаэробный энергетический обмен в тканях

человека и животных^[12]

Анаэробное и аэробное энергообразование в тканях человека

Некоторые ткани животных и человека отличаются повышенной устойчивостью к гипоксии (особенно мышечная ткань). В обычных условиях синтез АТФ идет аэробным путем, а при напряженной мышечной деятельности, когда доставка кислорода к мышцам затруднена, в состоянии гипоксии, а также при воспалительных реакциях в тканях доминируют анаэробные механизмы регенерации АТФ. В скелетных мышцах выявлены 3 вида анаэробных и только один аэробный путь регенерации АТФ.

3 вида анаэробного пути синтеза АТФ

К анаэробным относятся:

• Креатинфосфатазный (фосфогеный или алактатный) механизм — перефосфорилирование между креатинфосфатом и АДФ
• Миокиназный — синтез (иначе ресинтез) АТФ при реакции трансфосфорилирования 2 молекул АДФ(аденилатциклаза)
• Гликолитический — анаэробное расщепление глюкозы крови или запаса гликогена, заканчивающийся образованием молочной кислоты (иначе именуется «лактатным»).

Необходимо отметить, что прямым следствием гликолиза является критическое снижение рН тканей — ацидоз. Это ведет к снижению эффективного транспорта кислорода гемоглобином, и формирует положительную обратную связь.

Каждый механизм имеет свое время удержания максимальной мощности и оптимум энергообеспечения тканей. Наибольшая мощность и наименьшее время удержания:

• креатинфосфаткиназный механизм (3600 Дж/(кг·мин), при времени 6—12 сек)
• лактатный (2510 Дж/(кг·мин), при времени 30—60 сек)
• аэробный (600 Дж/(кг·мин), при времени около 600 секунд).

Примечания

1. ↑ Газогенерирующие контейнерные системы GasPak: Инструкция МК. — OOO «МК, официальный дистрибьютер Becton Dickinson International», 2010. — С. 7.
2. ↑ ^{1 2 3} К. Д. Пяткин. Микробиология с вирусологией и иммунологией. — М:»Медицина», 1971. — С. 56.
3. ↑ Л. Б. Борисов. Медицинская микробиология, вирусология и иммунология. — МИА, 2005. — С. 154-156. — ISBN 5-89481-278-X
4. ↑ Д. Г. Кнорре. Биологическая химия:Учеб. для хим., биол. и мед.спец.вузов. — 3. — М.:Высшая школа, 2000. — С. 134. — ISBN 5-06-003720-7
5. ↑ D. A. Eschenbach, P. R. Davick, B. L. Williams. Prevalence of hydrogen peroxide-producing Lactobacillus species in normal women and women with bacterial vaginosis. — J Clin Microbiol. 1989 February; 27(2): 251–256.
6. ↑ М. В. Гусев, Л. А. Минеева. Микробиология. — М:МГУ, 1992. — С. 56.
7. ↑ А. А. Воробьев. Атлас по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии. — МИА, 2003. — С. 44. — ISBN 5-89481-136-8
8. ↑ Л. Б. Борисов. Руководство к лабораторным занятиям по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии. — Медицина, 1992. — С. 31-44. — ISBN 5-2225-00897-6
9. ↑ J. H. Brewer, D. L. Allgeier. Disposable hydrogen generator. — Science 147:1033-1034. — 1966.
10. ↑ J. H. Brewer, D. L. Allgeier. Safe self-contained carbon dioxide-hydrogen anaerobic system. — Appl. Microbiol.16:848-850. — 1966.
11. ↑ G. F. Smirnova. Metabolism peculiarities of bacteria restoring chlorates and perchlorates. — Microbiol Z. 2010 Jul-Aug;72(4):22-8.
12. ↑ Филиппович Ю. Б., Коничев А. С., Севастьянова Г. А. Биохимические основы жизнедеятельности организма человека. — Владос, 2005. — С. 302. — ISBN 5-691-00505-7

См. также

Ссылки

Анаэробные бактерии научились окислять метан, восстанавливая нитраты

Группа голландских ученых обнаружила, что в анаэробных условиях на дне водоема неизвестные ранее бактерии способны окислять метан, восстанавливая при этом нитраты и нитриты и выделяя во внешнюю среду молекулярный азот. Причем выяснилось, что участвуют в этом процессе представители двух совершенно разных групп — архебактерии и «настоящие» бактерии, или эубактерии.

На дне пресных водоемов нередко складываются анаэробные условия, поскольку весь имеющийся кислород расходуется бактериями, разлагающими скапливающееся там мертвое органическое вещество (например, остатки растений). В отсутствие кислорода разложение органического вещества также происходит, хотя гораздо медленнее, а его конечным продуктом нередко оказывается метан — CH₄. Образуют метан особые бактерии, так называемые метаногены, относящиеся к древней группе архебактерий. Если выделившийся метан попадает в вышележащие слои водной толщи, туда, где есть кислород, он быстро окисляется метанокисляющими бактериями, или, как их еще называют, метанотрофами, — представителями «настоящих» бактерий (эубактерий).

Ученые предполагали, что возможен процесс, при котором метан окисляется и в анаэробных условиях. Например, электроны могут от метана перемещаться не к кислороду, а к нитратам и нитритам, которые будут восстанавливаться, образуя молекулярный азот. Соответствующее уравнение может быть записано так:

    5CH₄ + 8NO₃^– + 8H⁺ → 5CO₂ + 4N₂ + 14H₂O

По сути, это реакция денитрификации — давно известная, но в совершенно ином варианте, когда в качестве доноров электронов (восстановителя) выступают разные органические вещества или сера, а не метан. И вот наконец большой группе нидерландских исследователей из Института изучения водных ресурсов и Королевского института морских исследований удалось доказать, что предполагаемый процесс действительно протекает в природе.

Для этого из канала, загрязненного стоками сельскохозяйственного производства, взяли литровую пробу донных осадков и использовали ее как затравку для обогатительной культуры. Условия на дне канала вполне подходили для анаэробного окисления метана: кислород отсутствовал, метан был в изобилии, а кроме того, было довольно много нитратов.

В лаборатории в культуру (поддерживающуюся в строго анаэробных условиях) всё время подавали метан, а культуральную среду постепенно замещали неорганической, в которой присутствовали нитраты, бикарбонат и необходимые микроэлементы. Спустя 16 месяцев концентрацию нитрата в поступающей свежей среде довели до 6 мМ (миллимолей), но в самой культуре она оставалась весьма невысокой (около 0,1 мМ), что указывало на интенсивное использование этого вещества бактериями.

Доказать потребление метана методически было сложнее, но и это удалось, когда в культуру перестали подавать метан, нитриты и нитраты. На рисунке хорошо видно, как при этом падала концентрация потребляемых веществ и как возрастало содержание молекулярного азота. Гораздо труднее было решить вопрос о том, какие же именно бактерии осуществляют анаэробное окисление метана. Выделить их в чистую культуру не удавалось (с чем нередко сталкиваются микробиологи), однако, опираясь на последовательность генов 16S рибосомальной РНК и используя метод флюоресцентной in situ гибридизации (FISH), авторы работы выяснили, что изученный процесс осуществляет консорциум из двух разных бактерий.

Одна из них — эубактерия, близкая тем, что были взяты из анаэробной зоны японского озера Бива, где происходит интенсивная денитрификация (на эту бактерию приходится более 80% клеток). Другая — из группы архебактерий, близка к некоторым описанным формам из сильно загрязненных водоемов (на нее приходится 10-20% клеток). Наличие архебактерий подтверждено и присутствием так называемых «биомаркеров» — специфических веществ, свойственных только определенной группе организмов. Пока неизвестно, каково же «разделение труда» между двумя столь разными микроорганизмами.

Источник: Ashna A. Raghoebarsing, Arjan Pol, Katinka T. van de Pas-Schoonen, Alfons J. P. Smolders, Katharina F. Ettwig, W. Irene C. Rijpstra, Stefan Schouten, Jaap S. Sinninghe Damsté, Huub J. M. Op den Camp, Mike S. M. Jetten, Marc Strous. A microbial consortium couples anaerobic methane oxidation to denitrification // Nature. 2006. V. 440. P. 918-921.

Алексей Гиляров

Porphyromonas gingivalis as a Model Organism for Assessing Interaction of Anaerobic Bacteria with Host Cells

Все вышеперечисленные методы могут быть использованы для разработки конкретных анализов для оценки взаимодействия анаэробных бактерий с эукариотических клетках. Тем не менее, есть несколько соображений, чтобы успешно выполнять эксперименты. Во-первых, являются микробные штаммы быть использованы в исследовании.

Это имеет решающее значение в сравнении с двумя штаммами как анализа выживаемости, а также с помощью анализа микроскопии, что они находятся в аналогичных фазах роста и достичь подобных концентраций клеток в каких-либо различий в выше могут влиять эффективность вторжения ^13. Когда кривые роста отличаются между двумя штаммами бактерий, корректировки должны быть сделаны, чтобы, в конечном счете достичь аналогичных моделей роста обмена в соответствии концентрации ^21. Кроме того, бактерии должны быть равномерно распределен, чтобы избежать агрегации клеток. Кроме того, важно, чтобы выбрать антибиотики, которые эффективно устраняют бактерии внеклеточные. Если выбран антибиотик обладает вредное воздействие на клетки-хозяева, затемальтернативным антибиотик или литических ферментов могут быть использованы ^24,25. Наконец, напряжение неоднородность должны быть рассмотрены; хотя виды могут быть идентифицированы к вторжению клеток-хозяев, может быть главное различие в патогенности от одного штамма к другому и, следовательно, ²⁶ экспериментальное исследование должно быть выполнено для каждого штамма должны быть рассмотрены.

Второй важный шаг заключается в создании оптимального времени инкубации и бактериального инокулята (множественность заражения [MOI], который является количество бактерий, используемых для заражения клетки-хозяина) при проектировании протоколов. Более короткие периоды инкубации будет оценивать способность бактерий для усвоены клеток-хозяев, в то время как более длинные временные точки могут быть необходимы для определения выживаемости бактерий, а также внутриклеточных репликации ^27. Как внутриклеточная выживания бактерий могут быть затронуты МВД используется, то лучше, чтобы проверить несколько MÕIS чтобы убедиться, что нет повреждений клетки не был причинен, что приведет к гибели клеток или permeabilizред мембран с доступом к антибиотикам убийства внутриклеточных бактерий. После установления МВД и инкубации раз, необходимых для ответа на конкретный вопрос просят, эксперимент проводили в соответствии с протоколом; Однако, следует несколько серийных разведений эукариотической клетки-бактерий лизиса смеси. Оптимальный коэффициент разбавления будет определяться на основе наблюдаемых КОЕ. Факторы разбавления, в результате которых пластин с 50-200 КОЕ являются оптимальными для оценки эффективности выживания. Если количество КОЕ слишком высока, колонии неразличимы друг от друга и становится трудно рассчитывать вручную каждой колонии. Если количество КОЕ является слишком низкой, небольшие отклонения преувеличивают складка изменение между штаммами рассматривается как производить большие стандартные отклонения между параллельными опытами.

Третья критическая точка подготовить к клеткам-хозяевам, которые здоровы и готовы взаимодействовать с бактерий. В приведенном выше протоколе клетки-хозяева культивируют отдельно с использованием стандартного асептической TEChniques. Применение антибиотиков и противогрибковых препаратов в ткани культивирования может быть целесообразным, особенно для начинающих культивирования клеток биологов. Тем не менее, перед выполнением анализа выживаемости клетки-хозяева должны культивировать в без антибиотика СМИ, по крайней мере 12 часов перед передачей клеток в анаэробной камере. Оказавшись внутри камеры, средства массовой информации должны быть заменены на анаэробной без антибиотика сред, чтобы не падать на анаэробных бактерий во время инфекции. Если существуют проблемы с приложением клеток-хозяев в пластиковые чашки для тканевых культур или покровные может быть целесообразным применение клейкое покрытие, такие как поли-L-лизина или желатин. Кроме того, методы для покрытия тканевых культур блюд с естественным образом вырабатывается базальной мембраны, как внеклеточного матрикса (ЕСМ), может предоставить исследователю более в естественных условиях, как ^28,29. Лизирующий клеток-хозяев требует сбалансированного моющее средство, способное Открытие клеток-хозяев, не изменяя жизнеспособность бактерий. Несмотря на то, сапонины не Kбольных бактерии, он может ингибировать рост некоторых видов. До наших исследований эффект сапонина на P. gingivalis штаммы, которые будут использоваться для анализа хозяин-патоген был проверен не имеют никакого влияния на их рост / выживание. Если бактерии очень чувствительны к моющим средствам, в том числе сапонины, могут быть использованы повторные циклы замораживания-оттаивания или дистиллированной водой, чтобы лизировать клетки-хозяева, с небольшим повреждением бактерий.

Четвертый критическая точка включает в себя соображения должны быть приняты при выполнении микроскопии экспериментов. Во-первых, является использование флуоресцентным красителем для обозначения бактерий, которые будут использоваться для протокола микроскопии. Многие современные методы маркировки для бактерий требуют первичное антитело или обычные бактериальные красители с существенными ограничениями, такими как токсичных эффектов и выщелачивания красителя в окрестностях, таким образом, давая высокий фон. BCECF-AM является мембраной проницаемой краситель обычно используется в качестве флуоресцентного индикатора внутриклеточного рН в обоих прокариот и эукариот ^30-32, Было обнаружено, что эффективными при маркировке спектр анаэробных бактерий в предыдущих исследованиях ^33-35. BCECF-АМ будет только знак жизнеспособные бактерии, способные этерификации. Переход на BCECF внутриклеточными эстеразы приводит к флуоресцентным форме, что утечки из клеток гораздо медленнее, чем его исходное соединение. Есть много флуоресцентные красители и окрашивающие методы, которые могут быть использованы в ^36; Однако, этот протокол описывает простую технику фиксации / окрашивания, которую можно использовать практически с любым микроорганизмом. Кроме того, другие красители (TRITC-фаллоидином и DAPI) используются, чтобы более четко различать границы эукариотических клетках и составляют лишь бактерий, которые взаимодействуют с клетками-хозяевами.

Флуоресцентные красители являются чувствительными к фото-отбеливание и есть несколько коммерческих antifades и монтажные среды, доступные, которые могут помешать ослабление флуоресцентного сигнала ^37. Есть также выбор между жестким набором монтажных ПРЕССЫй мягкой установить те. В то время как жесткий установить те может привести к значительным изменениям в огнеупорной индекса, а также усадки и повреждения ткани ³⁸ мягких установления СМИ требуют герметики, такие как лак для ногтей, чтобы обеспечить покровное. Тогда из-за изменений, наблюдаемых среди инфицированных клетках эукариот; количество усвоенных бактерий между клетками может изменяться и, таким образом, нескольких эукариотических клетках должны быть использованы для анализа. В наших исследованиях, по крайней мере, сорок эукариотических клеток оцениваются и внутреннюю бактерии, перечисленные в эксперименте ^33,34. Наконец, чтобы четко визуализировать отдельные клетки, эукариотические клетки, используемые для инфекции, не должны быть выращены до слияния. Микроскопические исследования о Prevotella промежуточном инфекции эпителиальных клеток показали, предпочтение для конкретных регионов от клетки, и бактерии не будут придерживаться сайтов, где эпителиальные клетки находились в контакте друг с другом и не имели ламеллиподий ^39.

Лимитация микроскопии может быть его низкая пропускная. Таким образом, для крупномасштабных количественных данных о свойстве инвазивной бактериям цитометрии потока также могут быть использованы ^40. Этот метод предполагает использование меченых бактерий флуоресцентно (что может быть достигнуто, как описано для бактерий, которые будут использованы для микроскопии) и позволяет для изучения несколько образцов одновременно, что может быть привлекательным для некоторых исследователей.

Модификации этих двух протоколов могут быть сделаны, чтобы идентифицировать путей, участвующих в поглощении клетки-хозяина бактерий. Успешное бактериальная инвазия происходит в пять этапов: (1) крепления (2) вход / интернализация (3) торговля (4) сохранение и (5) выход ^41. Таким образом, во время входа / интернализации, бактерия находит себя на хозяина и узурпирует клетки-хозяина для интернализации через изменения передачи сигнала. Селективные ингибиторы метаболизма могут быть добавлены к клеткам-хозяевам, чтобы определить изменения в сигнализации приводит к успешному вторжения. ДляПример latrunculin, который ингибирует полимеризацию актина, могут быть использованы для изучения того, как влияет перестройка цитоскелета интернализации P. gingivalis. Антитела, которые нацелены на клетки-специфическими рецепторами или миРНК, способные сбить определенные гены также могут быть использованы для лучшего понимания клетке-хозяине сигнальных событий, участвующих в бактериальной интернализации. В то время как все обменные ингибиторы должны иметь минимальную общую воздействие на клетки-хозяева, за исключением одного исследуется, важно обеспечить ингибитор лечения не имеют токсическое воздействие на бактерии.

Будущие исследования будут искать, чтобы усовершенствовать некоторые из этих методов, возможно, достичь более естественных условиях, как в состоянии. В данной статье, либо бактерии или клетки-хозяева подвергаются суровых условиях. В зависимости от организма, клеточной линии, и цель эксперимента некоторые исследователи предпочитают выполнять над протокол в _СО 2 инкубаторе. Тем не менее, поражение пародонтас учетом анаэробной микросреды, в которых бактерии взаимодействуют с хостом. Исследование, в котором рассматриваются изменения в клеточном ответе на вызов с бактерий полости рта при аэробных условиях в сравнении анаэробных сообщил, что при пониженном давлении кислорода (2% кислорода) бактерий, например, Tannerella форзиции, П. gingivalis, П. промежуточный вызвало более высокие уровни ИЛ-8 и ФНО по сравнению с аэробных условиях ^42. Способность клеток эукариот, чтобы выжить в анаэробных условиях также подтверждается исследованиями, которые исследовали способность мезенхимальных стволовых клеток человека, человека стоматологических фолликул стволовых клеток, фибробластов десны человека, десен клетки карциномы и полости рта человека эпителиальных клеток ^43,44,45. Наши исследования с использованием WST-1 клеточной пролиферации показали, что HUVECs могут выживать в течение до 48 часов при бескислородных условиях. Такое решение было принято, чтобы инфицировать клетки в анаэробной камере, потому что P. gingivalis чувствительна к по крайнейатмосферном уровень кислорода, в то время HUVECs может выжить длительные периоды времени в анаэробных условиях. Дальнейшие исследования будут исследовать использование микро-жидкостный клеточных культур устройств, которые обеспечивают кислород к одной поверхности монослоя (как артерии) и анаэробных условиях при ⁴⁶ С другой. Это путь условия не будут принесены в жертву как для бактерий или хоста, на инфекции. Таким образом, описано несколько простых протоколов, которые могут быть использованы для изучения хозяин-патоген взаимодействия для анаэробных бактерий. Эти протоколы были также использованы для оценки влияния бактериальных белков, internalins способствующих бактериальной инвазии ^40, а также суррогатных неинвазивные бактерии, экспрессирующие белок, придающий инвазивной недвижимость на бактерии ^47.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОСТРОГО ОБСТРУКТИВНОГО ПИЕЛОНЕФРИТА, ВЫЗВАННОГО РАЗЛИЧНЫМИ НЕКЛОСТРИДИАЛЬНО-АНАЭРОБНЫМИ БАКТЕРИЯМИ | Пасечник

1. Бешлиев Д.А. Ходырева Л.А. Диагностика и лечение острого пиелонефрита // Трудный пациент. – 2007. – №12-13. – С. 5-8.

2. Лоран О.Б., Синякова Л.А., Косова И.В. Роль урогенитальных инфекций в этиологии цистита и необструктивного пиелонефрита у женщин (часть 1) // Урология. – 2005. – №2.– С. 74-79.

3. Урология: клинические рекомендации / Под ред. Н.А. Лопаткина. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007. – 368 с.

4. Лопаткин Н.А., Деревянко И.И., Страчунский Л.С. Антибактериальная терапия острого цистита и пиелонефрита у взрослых // Публикация на сайте НИИ урологии МЗ РФ. – 2003 г. Url.: http://www.antibiotic.ru/rus/all/met od/ocp (дата обращения 24.04.13).

5. Бондаренко, В.М. Генетические детерминанты патогенности Escherichia coli, изолированных из мочи и фекалий детей с различными клиническими вариантами инфекции мочевой системы // Журн. микробиол. – 2004. – №4 – С. 3-7.

6. Глыбочко П.В., Хачатуров К.А., Липский В.С. и соавт. Анаэробные паразитоценозы мочевыводящих путей как фактор риска развития острого пиелонефрита // Урология. – 2006. – №2. – С. 50-54.

7. Максимов В.А., Борисик В.И., Яровой С.К. Острый гломерулонефрит, осложнившийся острым обструктивным пиелонефритом // Урология. – 2010. – №1. – С. 71-73.

8. Коган М.И., Пасечник Д.Г., Набока Ю.Л. и соавт. Могут ли неклостридиально-анаэробные бактерии вызывать острый пиелонефрит? (экспериментальное исследование) // Урология. – 2012. – №2. – С. 8-13.

9. Brook I. Urinary tract and genitourinary suppurative infections due to anaerobic bacteria // International Journal of Urology – 2004. – Vol.11, №3. – P. 133-141.

10. Giamarellos-Bourboulis E.J., Adamis T., Laoutaris G. et al. Immunomodulatory clarithromycin treatment of experimental sepsis and acute pyelonephritis caused by multidrug-resistant Pseudomonas aeruginosa. // Antimicrob Agents Chemother. – 2004. – Vol 48, №1. – P. 93-99.

11. Методики клинических лабораторных исследований. Справочное пособие / Под ред. В.В. Меньшикова. – М.: Лабора. – 2009. – 880 с.

12. Apostolopoulou C., Konstantoulaki S., Androulakakis P. et al. Isolation of anaerobic organisms from kidney in serious renal infections // Urology – 1982. – Vol. 20, №5. – P. 479-481.

13. Bartlett J.G., Gorbach S.L. Anaerobic bacteria in suppurative infections of the male genitourinary system // J. Urol. – 1981. – Vol. 125, №3. – P. 376-378.

14. Brook I. Urinary tract infection caused by anaerobic bacteria in children // Urology – 1980. – Vol. 16, №6 – P. 596-598.

15. DuPrey K.M., Leon McCrea, Rabinowitch B.L. et al. Pyelonephritis and Bacteremia from Lactobacillus delbrueckii // Case Rep Infect Dis. – 2012. – №10. – P. 1155-1158.

16. Kumazawa J., Kiyohara H., Momose S. Significance of anaerobic bacteria isolated from the urinary tract. II. Experimental studies // Invest Urol. – 1976. – Vol.13, №4. – P. 309-312.

17. Schulte T. L. Bacteroides and anaerobic streptococci in infection of the urinary tract // Proc. Mayo Clin. – 1939. – №14. – P. 536.

Анаэробные бактерии — обзор

Эпидемиология

Анаэробные бактерии — повсеместные представители нормальной флоры кожи и слизистых оболочек всех млекопитающих, ^166,171,176 и основные роды, обнаруженные как нормальная флора лошадей, кажутся похожими на клинически значительные и нормальные анаэробы флоры человека и других млекопитающих. Может показаться несколько нелогичным, что облигатно анаэробные бактерии в большом количестве обнаруживаются в местах, подверженных воздействию окружающего воздуха, таких как кожа или полость рта.Однако в дополнение к врожденной аэротолерантности, которой обладают некоторые облигатные анаэробы, в этих областях создается анаэробная микросреда за счет факультативно анаэробной бактериальной флоры (включая многие другие бактерии, знакомые врачам, такие как стафилококки, стрептококки, пастереллы, актинобациллы и т. и представители Enterobacteriaceae), потребляющие свободный кислород. ¹⁷⁷ Анаэробы также являются частыми условно-патогенными микроорганизмами, вызывающими инфекции, когда эти бактерии получают доступ к анаэробным условиям в тканях, обычно возникающим в результате наличия некротической ткани и коинфекции с факультативно анаэробными бактериями.Хотя анаэробы могут вызывать инфекции сами по себе, в большинстве случаев анаэробные инфекции являются полимикробными с множеством облигатно анаэробных бактерий, а также факультативно анаэробных бактерий.

Хотя большинство клинически значимых анаэробов можно найти на большинстве участков тела, определенные роды чаще встречаются на определенных участках. У людей роды, которые преимущественно колонизируют данное место, также с наибольшей вероятностью могут быть обнаружены при инфекциях, связанных с этими анатомическими областями, и обнаружение определенных родов в крови может предсказать, в какой части тела возникает инфекция.Хотя эта связь не была хорошо продемонстрирована для лошадей, это, скорее всего, отражает недостаток информации о нормальной анаэробной флоре лошадей и рутинном анаэробном культивировании крови, а не отсутствие такой корреляции.

Наиболее клинически значимыми инфекциями лошадей, вызываемыми облигатно анаэробными бактериями, являются пневмония и плевропневмония (см. Главу 1). Анаэробы, которые обнаруживаются из ротовой полости и дыхательных путей лошадей, включают Bacteroides, Clostridium, Eubacterium, Fusobacterium, Peptostreptococcus, и Veillonella, , а также ряд других неопознанных анаэробных грамположительных палочек и кокков. ^{169 178 179} В одной серии исследований от 37% до 68% инфекций нижних дыхательных путей были связаны с анаэробами, обычно Bacteroides ; От 68% до 81% были смешаны с факультативными анаэробами, такими как стрептококки, пастереллы, актинобациллы и энтеробактерии; и 85% имели несколько анаэробов. ^{173 174 180 181} Наиболее часто встречающиеся анаэробы в случаях респираторных заболеваний лошадей включают Bacteroides , Clostridium , Eubacterium , Fusobacterium , Peptostreptococcus и Veillonella . ^{169 173 174 179-186} Клиническое значение анаэробного компонента этих инфекций подтверждается исследованиями, которые показали, что присутствие анаэробов было связано со снижением выживаемости, ^{173 173 174 181 185} и лошади, получавшие метронидазол, показали улучшенные клинические ответы и показатели выживаемости. ^{174 183} Анаэробные бактерии, вызывающие респираторные инфекции лошадей, скорее всего, возникают в результате аспирации нормальной флоры полости рта, поскольку большинство респираторных анаэробных патогенов также обнаруживаются на поверхности глоточных миндалин. ¹⁶⁹ Анаэробы также часто связаны с различными параротовыми инфекциями, включая подчелюстные абсцессы, нижнечелюстной остеомиелит, инфекцию носовых пазух и зубные абсцессы. Преобладающие анаэробы, участвующие в этих инфекциях, очень похожи на анаэробы, обнаруживаемые при респираторных инфекциях, и как нормальная флора поверхности глоточных миндалин, ¹⁶⁹ , и они, предположительно, возникают в результате условно-патогенных инфекций нормальной флоры.

Анаэробы также являются обычной флорой репродуктивного тракта лошадей (см. Главу 8).У нормальных жеребцов 96% проб, взятых из уретры, уретральной ямки, смегмы и предэякуляционной жидкости, содержали Bacteroides , Clostridium , Fusobacterium , Peptococcus и Peptostreptococcus . У нормальных кобыл 100% мазков из клитора, 24% мазков с эндометрия и 40% мазков с эндометрия содержали Bacteroides , Clostridium , Fusobacterium , Peptococcus и Peptostreptococcus spp. ¹⁸⁷ Анаэробы, в том числе Bacteroides , Clostridium , Fusobacterium и Peptostreptococcus spp., Также могут быть выделены из образцов матки от кобыл с цитологическими доказательствами острого эндометрита. Предположительно, анаэробы могут вносить вклад в патологию матки во время активной инфекции, но возможность культивирования анаэробов от клинически здоровых кобыл иллюстрирует сложность интерпретации значения анаэробных бактерий, выявленных в образцах слизистой оболочки.

Анаэробные бактерии также часто связаны с внутрибрюшными инфекциями, такими как абсцессы и холангиогепатит. ^188-190 Роды анаэробных бактерий, связанных с этими инфекциями, аналогичны родам, обнаруживаемым как нормальная флора в толстой кишке лошади, и включают Bacteroides , Bifidobacterium , Clostridium , Eubacterium , Lactobacillus и Пептострептококк. ^191-194 Различные другие оппортунистические инфекции, включая ортопедические, ¹⁷⁷ молочные, кожные и мышечные инфекции, ¹⁹⁵ могут быть связаны с анаэробами.Как правило, любая рана или стерильный участок, особенно если инфекция вызвана заражением бактериями с кожи или слизистых оболочек, потенциально могут включать анаэробные бактерии.

Анаэробные инфекции — StatPearls — Книжная полка NCBI

Непрерывное обучение

Анаэробные бактерии являются частью нормальной флоры кожи и слизистых оболочек человека. Место анаэробной инфекции обычно является местом нормальной колонизации. Спектр инфекций варьируется от местных абсцессов до опасных для жизни инфекций.Анаэробные бактерии отличаются от аэробных бактерий потребностью в кислороде. Кислород токсичен для анаэробов, что можно объяснить отсутствием в анаэробах ферментов каталазы, супероксиддисмутазы и пероксидазы. Диагноз требует клинического подозрения и надлежащей микробиологической идентификации. Это упражнение исследует, когда это состояние следует учитывать при дифференциальной диагностике и как правильно его оценить. Это мероприятие подчеркивает роль межпрофессиональной команды в уходе за пациентами с этим заболеванием.

Цели:

• Определите этиологию анаэробных инфекций.

• Изучите различные клинические проявления анаэробных инфекций,

• Опишите возможные варианты лечения анаэробных инфекций.

• Объясните важность улучшения координации оказания помощи межпрофессиональной командой для достижения лучших клинических результатов у пациентов с анаэробными инфекциями.

Получите бесплатный доступ к вопросам с несколькими вариантами ответов по этой теме.

Введение

Анаэробные бактерии являются частью нормальной микрофлоры кожи и слизистых оболочек человека. Место анаэробной инфекции обычно является местом нормальной колонизации. Спектр инфекций варьируется от местных абсцессов до опасных для жизни инфекций. Анаэробные бактерии отличаются от аэробных бактерий потребностью в кислороде. Кислород токсичен для анаэробов, что можно объяснить отсутствием в анаэробах ферментов каталазы, супероксиддисмутазы и пероксидазы.Анаэробы являются привередливыми организмами, и их трудно выращивать, если не используются надлежащие методы сбора и культивирования. Диагноз требует клинического подозрения и надлежащей микробиологической идентификации. [1] [2]

В зависимости от потребности в кислороде бактерии можно разделить на следующие группы:

Облигатные аэробы нуждаются в кислороде в качестве конечного акцептора электронов и не имеют другого источника энергии, например ферментации.

Обязательные анаэробы получают энергию посредством ферментации и используют органические соединения в качестве концевых акцепторов электронов.

Факультативные анаэробы могут расти в присутствии или в отсутствие кислорода.

Облигатные анаэробы можно подразделить на 2 типа в зависимости от процентного содержания кислорода, который может оказаться токсичным. Строгие облигатные анаэробы не выживут, если в окружающей среде содержится более половины процента кислорода, в то время как умеренные облигатные анаэробы все еще могут расти в среде с содержанием кислорода от 2 до 8%.

Этиология

Общие очаги анаэробных инфекций включают полости рта, брюшной полости и таза; однако анаэробы могут вызывать инфекции других областей, таких как голова, шея и кожа.Клинически значимые анаэробы, ассоциированные с инфекциями человека, следующие:

Грамположительные

Грамположительные спорообразующие бациллы

Clostridium : это спорообразующие анаэробы, ответственные за некоторые из наиболее серьезных инфекций человека. На их долю приходится около 10% всех анаэробных инфекций. Значимыми членами этого семейства являются Clostridium difficile, , вызывающие инфекцию C. difficile . Clostridium perfringens, , вызывающая газовую гангрену или инфекции мягких тканей. Clostridium septicum также вызывает газовую гангрену.

Грамположительные неспорообразующие бациллы

Actinomyces: Они колонизируют желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) человека, а инфекции возникают в результате разрыва кожно-слизистого барьера. 3 наиболее распространенных анатомических участка, пораженных Actinomyces , — это шейно-лицевой, грудной и абдоминальный отделы.

Propionibacterium : Этот вид является частью нормальной флоры кожи и слизистых оболочек.Наиболее значимым членом этого семейства является Propionibacterium acne , который играет роль в патогенезе обыкновенных угрей.

Bifidobacterium : это нормальная флора кишечного тракта. Обычно он не патогенный; однако зарегистрированы педиатрические инфекции в виде хронического среднего отита, абсцессов брюшной полости и перитонита.

Lactobacillus: Эти организмы также обычно встречаются в желудочно-кишечном тракте и могут быть извлечены из многочисленных пищевых продуктов.Имеют низкий патогенный потенциал; однако описаны случаи абсцессов брюшной полости, аспирационной пневмонии и бактериемии, особенно у новорожденных.

Peptococcus и Peptostreptococcus : Эти анаэробы являются частью ротовой полости, желудочно-кишечного тракта, верхних дыхательных и мочеполовых путей, а также кожи. Они могут быть патогенными и вызывать многочисленные инфекции, такие как хронический средний отит, хронический синусит, аспирационная пневмония, воспалительные заболевания органов малого таза, в том числе трубно-яичниковые абсцессы.

Другие члены включают Eubacterium, Bifidobacterium, Arcanobacterium, и микроаэрофильные Streptococcus ( Streptococcus anginosus, Streptococcus 9013atus , Streptococcus .

Грамотрицательные

Bacteroides: Это наиболее часто обнаруживаемые анаэробные патогены из клинических образцов. Они являются частью кишечной микрофлоры человека и нормальной микрофлоры женских половых органов.Эти организмы чаще всего являются причиной внутрибрюшных инфекций, особенно абсцессов. Большинство этих абсцессов представляют собой смешанные инфекции. Они также могут вызывать экстраабдоминальные инфекции, такие как аспирационная пневмония, абсцессы мозга и другие.

Fusobacterium : один из видов этой группы анаэробов, Fusobacterium necrophorum, является частой причиной перитонзиллярных абсцессов, связанных с осложнением тромбоза внутренней яремной вены, известного как синдром Лемьера.

Campylobacter: Это одна из наиболее частых причин острого бактериального гастроэнтерита.

Prevotella: Это нормальная флора ротовой полости и кишечного тракта человека. У детей они часто связаны с инфекциями головы и шеи, такими как перитонзиллярные абсцессы, заглоточные абсцессы, а также перинеальные или перианальные инфекции, такие как пилонидальные абсцессы.

Veillonella: Иногда ассоциируется с абсцессами брюшной полости и аспирационной пневмонией у детей.

Эпидемиология

Анаэробы являются частью местной или местной флоры, особенно ротовой полости, кишечника человека и женских половых путей. Колонизация анаэробами зависит от возраста, расположения органа и факторов окружающей среды. Например, у младенцев, находящихся на исключительно грудном вскармливании, кишечная флора представлена ​​преимущественно Bifidobacterium , с небольшим количеством видов Bacteroides и Enterococcus . С другой стороны, младенцы, которых кормят коровьим молоком, имеют кишечную флору, аналогичную флоре кишечника взрослых, которая содержит грамотрицательные анаэробы и факультативные бациллы.[3] [4] [5]

Анаэробы являются частью местной флоры, которая сопротивляется колонизации и вторжению со стороны неместной флоры. Однако инфекции от анаэробов действительно возникают и обычно возникают в результате нарушения кожно-слизистого барьера или подавления иммунитета. Анаэробные инфекции органов включают, помимо прочего, абсцессы головного мозга, стоматологические инфекции, аспирационную пневмонию, абсцессы легких, инфекции укусов (животных / человека), абсцессы брюшной полости и некротические инфекции мягких тканей.

Патофизиология

Патогенез анаэробных инфекций включает разрушение поверхности слизистой оболочки и проникновение анаэробных бактерий с проникновением в глубокие ткани.Механизмы проникновения включают местную травму, хирургическое вмешательство, перфорацию внутренних органов (например, аппендицит), некроз тканей и нарушение очистки стерильного участка (хронический синусит, пневмония). Место и степень заражения зависят от факторов вирулентности организма и иммунитета хозяина.

Факторами вирулентности, которые способствуют анаэробным инфекциям, являются факторы адгезии (фимбрии и лектин), факторы инвазии (фосфолипаза С, липополисахариды и протеазы), факторы, участвующие в деструкции тканей (фибринолиз, ацетилглюкозаминидаза и выработка коллагеназы), устойчивость капсулы к фагоцитозу. и другие.У хозяина с ослабленным иммунитетом наблюдаются серьезные инфекции.

При участии в абсцессе анаэробы обычно являются частью полимикробной инфекции. Экспериментальные модели крыс со смешанными инфекциями показали, что рост анаэробов, а также аэробов усиливается при полимикробных инфекциях.

История и физика

Большинство анаэробных инфекций у детей носят локальный характер, и инфекции кровотока составляют менее 2% случаев. Подход к анаэробным инфекциям включает выявление предрасполагающих факторов.Это следующие:

1. Инфекция участка органа, заразная участку с местной колонизацией (ротовая полость, кишечник)

2. Обструкция: например, инородное тело в носу, непроходимость аппендикса, непроходимость кишечника

3. Перфорация: Полые внутренние органы, например, перфорация кишечника.

4. Неспособность хозяина выводить выделения, например, дети с церебральным параличом предрасположены к аспирационной пневмонии.

5. Укусы животных и людей, приведшие к проникающей травме от анаэробов полости рта

Другие важные признаки анаэробной инфекции включают наличие состояния, предрасполагающего человека к анаэробной инфекции, например, некроз тканей, выделения с неприятным запахом , инфекция, приводящая к тромбофлебиту, при подозрении на анаэробную активность антибиотики не улучшают.

Клиницисты должны получить анаэробный посев при подозрении на анаэробную инфекцию.

Инфекции распространенных органов при анаэробных и аэробных инфекциях

Инфекция головы и шеи: Анаэробы обычно вызывают стоматологические инфекции, такие как зубные абсцессы, гингивит и пародонтит. Обычно присутствуют результаты осмотра: кариес или плохой прикус. Анаэробы также вовлечены вместе с другими аэробами в гнойные инфекции заглоточного абсцесса, перитонзиллярного абсцесса, шейного лимфаденита, глубоких абсцессов шеи и паротита.Анаэроб, связанный с Fusobacterium, связан с осложнением перитонзиллярного абсцесса, известным как синдром Лемьера. Синдром Лемьера вызывается септическим тромбофлебитом яремной вены и метастатическими эмболами в легкие и печень.

Анаэробы также вызываются хроническим средним отитом и хроническим синуситом, наряду с другими аэробами, такими как Staphylococcus aureus и Pseudomonas.

Инфекции центральной нервной системы (ЦНС): Анаэробы обычно выделяются в культурах из абсцессов головного мозга, которые возникают в результате осложнения синусита, среднего отита или стоматологических инфекций.Обычно выделяют 3 анаэроба: Fusobacterium , Prevotella и Bacteroides . Эти же микроорганизмы встречаются и при эпидуральных инфекциях.

Внутрибрюшные инфекции: Повреждение стенки кишечника, видимое на перфорированном отростке, дает кишечным анаэробам доступ к брюшной полости. В течение нескольких дней или недель это приводит к формированию абсцессов брюшной полости. Абдоминальные абсцессы почти всегда представляют собой смешанные инфекции, содержащие как аэробы, так и анаэробы.Наиболее частым анаэробом, вызывающим абдоминальные инфекции, является Bacteroides fragilis, за которым следуют виды Lactobacillus и Clostridium .

Анаэробы также являются частой причиной абсцессов печени. Общие ассоциированные анаэробы — это виды Bacteroides и Fusobacterium .

Воспалительные заболевания органов малого таза: Анаэробы все вовлечены в воспалительные заболевания органов малого таза (ВЗОМТ). Сексуально активным женщинам с признаками и симптомами, совместимыми с воспалительными заболеваниями органов малого таза, показана эмпирическая антимикробная терапия против анаэробов и анаэробов.Обычными анаэробами, участвующими в ВЗОМТ, являются Prevotella , Porphyromonas , Clostridium .

Легочные инфекции наблюдаются у детей, которые не могут контролировать секрецию верхних дыхательных путей или не имеют нормального кашлевого рефлекса, например, у детей с церебральным параличом и трахеопищеводными мальформациями. Аспирация приводит к пневмонии, которая при отсутствии лечения может перерасти в абсцесс. Преобладающие возбудители аспирационной пневмонии являются частью ротоглоточной флоры и включают Peptostreptococcus, Prevotella, Bacteroides fragilis и Fusobacterium.

Инфекции кожи и мягких тканей: Анаэробы могут вызвать периректальный абсцесс или лицевой абсцесс у детей. Bacteroides fragilis и Clostridium видов обычно вовлечены в периректальные инфекции, а Prevotella , Porphyromonas и Fusobacterium вовлечены в инфекции полости рта.

Оценка

Выявление серьезных анаэробных инфекций

Своевременное выявление важно для начала эмпирической терапии.Опасные для жизни инфекции, такие как столбняк, газовая гангрена или детский ботулизм, вызываются спорообразующими анаэробами, Clostridium tetanus , Clostridium perfringens, или Clostridium botulism, соответственно [6] [7].

История травмы, например проникающая травма ногтя или наличие омертвевшей ткани, должна побуждать к обследованию на столбняк у иммунизированного ребенка.

Газовая гангрена вызывается Clostridium perfringens или Clostridium septicum .Это неотложная медицинская помощь, требующая хирургической обработки раны в дополнение к антибактериальной терапии пенициллин-содержащими антибиотиками в сочетании с клиндамицином.

Ботулизм проявляется как нисходящий паралич, особенно у младенцев. Часто встречаются случаи употребления поврежденных консервов, использования меда, проживания или поездок в эндемичные регионы (высокое количество клостридиальных спор). Результаты физикального обследования относятся к младенцу без лихорадки с острым началом трудностей с кормлением и поражением бульбара (отсутствие рвотного рефлекса).В отношении подозреваемых случаев экспертиза предоставляется Министерством здравоохранения Калифорнии. Стул следует отправить на проверку на наличие спор Clostridium botulism . Основой лечения является поддерживающая терапия с применением иммуноглобулина против ботулизма (BabyBIG) или без него.

У подростка с болью в горле, болью в шее и тахикардией, непропорциональной лихорадке, следует учитывать синдром Лемьера. Для выявления тромбофлебита внутренних яремных вен необходимо провести ультразвуковое исследование шеи, а для выявления септических эмболов — сделать рентген грудной клетки.

Местные инфекции, включая абсцессы

Абсцессы могут ограничиваться ЦНС, областью головы и шеи. Область живота можно диагностировать с помощью соответствующего анаэробного посева. Образец следует собирать в стерильном месте, желательно в обход нормальной микрофлоры и с помощью пункционной аспирации или хирургического исследования. Аспират ткани или жидкости предпочтительнее мазка. После сбора образец следует отправить в анаэробную транспортную среду и внести посев в бескислородную среду.

Лечение / ведение

Шаг 1

Лечение анаэробной инфекции зависит от места инфицирования, хозяина, а также наличия или отсутствия абсцесса. Как правило, абсцесс всегда должен быть дренирован , а культура отправлена ​​на аэробную и анаэробную культуру. Кроме того, хирургическая обработка некротической ткани при клостридиевом некротизирующем фасциите имеет решающее значение в лечении. [8] [9] [10]

Шаг 2

После получения необходимых культур ребенку следует назначить эмпирические антибиотики, обладающие активностью против анаэробов.Возможны следующие варианты:

Метронидазол : Обладает отличной активностью против грамотрицательных препаратов, таких как Bacteroides fragilis . Его активность против грамположительных результатов хорошая, хотя и менее надежная. Метронидазол имеет отличную биодоступность (100%) и хорошо проникает в ткани, включая центральную нервную систему и брюшную полость. Метронидазол придает металлический привкус во рту, что часто называют причиной прекращения приема препарата.

Клиндамицин активен против многих анаэробов.Устойчивость клиндамицина к Bacteroides fragilis возрастает, и он менее надежен по сравнению с метронидазолом, ингибитором пенициллина / бета-лактамазы или карбапенемом. Клиндамицин, вводимый внутривенно или перорально, хорошо проникает в ткани, включая абсцессы, кости и суставы. Клиндамицин, однако, не проникает в центральную нервную систему.

Комбинация ингибиторов пенициллина / бета-лактамазы : Пенициллин сам по себе активен против анаэробов, не продуцирующих бета-лактамазу, таких как Clostridium perfringens .Однако большинство грамотрицательных анаэробов продуцируют бета-лактамазу и комбинированные пенициллины, такие как пероральный амоксициллин / клавуланат или внутривенный (IV) / внутримышечный (IM) ампициллин / сульбактам, тикарциллин / клавуланат и пиперациллин / тазобактам.

Цефалоспорин второго поколения: Что касается цефалоспоринов, цефалоспорины второго поколения цефокситин, цефотетан и цефметазол более активны в отношении Bacteroides fragilis. Однако, учитывая возрастающую резистентность, они не рекомендуются в качестве эмпирического лечения.Обычно используется в хирургической профилактике.

Карбапенемы : Обладают отличной активностью против анаэробов, а также аэробов, вовлеченных в интраабдоминальные и другие органы, такие как ЦНС. Меропенем немного более активен, чем имипенем, в отношении грамотрицательных бактерий.

Хинолоны : хорошо всасываются при пероральном введении и проникают в ткани. Однако резистентность растет, и их следует применять только детям с аллергией на бета-лактам. Хинолоны, обладающие активностью против анаэробов, включают левофлоксацин и моксифлоксацин.

Дифференциальный диагноз

• Аэробные абсцессы от Escherichia coli , Pseudomonas, такие как абсцесс мозга, абсцессы головы и шеи, легочные инфекции и внутрибрюшные инфекции.

Жемчуг и другие проблемы

• Рассмотрите возможность анаэробной инфекции, если место предполагаемой инфекции находится рядом с нормальной местной анаэробной флорой, такой как рот, кишечник или женские половые пути.

• Выявление предрасположенности, такой как непроходимость, перфорация, травма, неспособность хозяина очищать секреты, снижение притока крови к ткани, например некроз ткани.

• Следует предпринять попытку отправить анаэробные культуры, что предполагает надлежащий сбор, быструю транспортировку и надлежащие методы культивирования. Тканевый или гнойный материал предпочтительнее посылать мазки.

• Метронидазол обладает анаэробной активностью широкого спектра с наименьшей резистентностью. Другие анаэробные антибиотики включают клиндамицин, комбинацию ингибиторов пенициллина бета-лактамазы, цефалоспорины второго поколения, карбапенемы и хинолоны.

Улучшение результатов команды здравоохранения

Анаэробные инфекции распространены как у амбулаторных, так и у стационарных пациентов. Поскольку эти инфекции могут поражать различные органы и проявляться по-разному, с ними лучше всего справиться межпрофессиональная команда. Поставщикам первичной медико-санитарной помощи, практикующим медсестрам и другим медицинским работникам необходимо проконсультироваться со специалистом по инфекционным заболеваниям, когда они сталкиваются с инфекцией, которая не поддается лечению обычными антибиотиками или имеет странное проявление.По поводу дренирования часто обращаются к общим хирургам. Фармацевт должен пересмотреть выбор лекарств, взаимодействия с ними и соблюдение пациентом режима лечения, а также сообщить о проблемах команде. Медсестры должны помогать в координации ухода, способствовать общению между членами межпрофессиональной команды и помогать в обучении пациентов и их семей. При необходимости следует привлекать медсестер, прошедших специальную подготовку, в том числе медико-хирургических и инфекционных.

При неправильном диагнозе анаэробные инфекции приводят к высокой смертности.[11] [12] [13]

Прогноз зависит от типа анаэробной инфекции.

• В нашу эпоху вакцинации против столбняка и доступности поддерживающей терапии столбняк не встречается в развитых странах мира. У любого ребенка с чистой проникающей ранкой следует провести вакцинацию от столбняка, а в случае зараженной раны следует рассмотреть возможность использования столбнячной вакцины и столбнячных иммуноглобулинов на основе последней вакцины против столбняка.

• Любую загрязненную рану необходимо очистить и удалить инородное тело.

• Хорошая гигиена полости рта и полости рта предотвращает анаэробные инфекции.

• При операциях на брюшной полости, требующих проникновения полых внутренних органов, следует рассмотреть возможность применения антибиотиков с анаэробной активностью, таких как цефокситин.

Ссылки

1.

Алаузет С., Лозневский А., Маршандин Х. Устойчивость к метронидазолу и гены ним у анаэробов: обзор. Анаэроб. 2019 Февраль; 55: 40-53. [PubMed: 30316817]

2.

Bula-Rudas FJ, Olcott JL.Укусы человека и животных. Pediatr Rev.2018 Октябрь; 39 (10): 490-500. [PubMed: 30275032]

3.

Ghoneim NH, Hamza DA. Эпидемиологические исследования пищевых отравлений Clostridium perfringens в пищевых продуктах розничной торговли. Rev Sci Tech. 2017 декабрь; 36 (3): 1025-1032. [PubMed: 30160688]

4.

Шакья Н., Шарма Д., Ньюаскар В., Агравал Д., Шривастава С., Ядав Р. Эпидемиология, микробиология и чувствительность к антибиотикам одонтогенных космических инфекций в Центральной Индии. J Maxillofac Oral Surg. 2018 сентябрь; 17 (3): 324-331.[Бесплатная статья PMC: PMC6028331] [PubMed: 30034150]

5.

Пиннола А., Куо Й.Х., Скиарретта Дж. Д., Макинтайр А., Мессье Р., Дэвис Дж. М.. Бактериология и сопутствующие заболевания у пациентов, которым требуется хирургическое лечение эмпиемы. Am Surg. 2018, 01 апреля; 84 (4): 599-603. [PubMed: 29712613]

6.

Messbarger N, Neemann K. Роль анаэробных культур крови в неонатальной бактериемии. J Pediatric Infect Dis Soc. 2018 17 августа; 7 (3): e65-e69. [PubMed: 2

80]

7.

Джейкобс М.Р., Мацзулли Т., Хазен К.С., Гуд К.Э., Абдельхамед А.М., Ло П, Шум Б., Роман К.П., Робинсон, округ Колумбия.Многоцентровая клиническая оценка системы культуры крови BacT / Alert Virtuo. J Clin Microbiol. 2017 август; 55 (8): 2413-2421. [Бесплатная статья PMC: PMC5527419] [PubMed: 28539343]

8.

Byun JH, Kim M, Lee Y, Lee K, Chong Y. Модели антимикробной чувствительности клинических изолятов анаэробных бактерий с 2014 по 2016 год, включая недавно названные или Переименованные виды. Ann Lab Med. 2019 Март; 39 (2): 190-199. [Бесплатная статья PMC: PMC6240532] [PubMed: 30430782]

9.

Kheir MM, Tan TL, Ackerman CT, Modi R, Foltz C, Parvizi J.Культивирование инфекции перипротезного сустава: количество образцов, продолжительность роста и организмы. J Артропластика. 2018 ноя; 33 (11): 3531-3536.e1. [PubMed: 300

]

10.

Нич О., Крутова М. [Clostridium difficile остается проблемой для здоровья]. Рожл Чир. Осень 2017; 96 (10): 411-414. [PubMed: 2

06]

11.

Липски Б.А., Берендт А.Р., Корниа ПБ, Пайл Дж.С., Питерс Э.Дж., Армстронг Д.Г., Дери Х.Г., Эмбил Дж.М., Джозеф В.С., Карчмер А.В., Пинзур М.С., Сенневиль Э., 2012, инфекционные болезни Руководство по клинической практике общества Америки по диагностике и лечению инфекций диабетической стопы.J Am Podiatr Med Assoc. 2013 январь-февраль; 103 (1): 2-7. [PubMed: 23328846]

12.

Барсук В.О., Ледебор Н.А., Грэм МБ, Эдмистон CE. Clostridium difficile: эпидемиология, патогенез, лечение и профилактика стойкого патогена, связанного с оказанием медицинской помощи. JPEN J Parenter Enteral Nutr. 2012 ноябрь; 36 (6): 645-62. [PubMed: 22577120]

13.

Roje Z, Roje Z, Matić D, Librenjak D, Dokuzović S, Varvodić J. Некротический фасциит: обзор литературы по современным стратегиям диагностики и лечения с тремя описаниями случаев: торс, брюшная стенка , верхние и нижние конечности.Мир J Emerg Surg. 23 декабря 2011 г .; 6 (1): 46. [Бесплатная статья PMC: PMC3310784] [PubMed: 22196774]

Frontiers | Энергосбережение при ферментации анаэробных бактерий

Введение

Ферментация — это химическая реакция, катализируемая живыми клетками, имеющая два разных значения. В биотехнологии производство определенного соединения бактериями в основном из глюкозы в аэробных условиях называется ферментацией, например ферментацией L-лизина. В этом обзоре, однако, ферментация определяется как анаэробный бактериальный окислительно-восстановительный процесс органического субстрата, приводящий к различным продуктам, например.g., ферментация глутамата до аммиака, CO ₂ , ацетата, бутирата и водорода. Тем самым глутамат окисляется до CO ₂ и ацетата; полученные восстанавливающие эквиваленты используются для синтеза бутирата и H ₂ для установления сбалансированного химического уравнения. Неорганические акцепторы электронов, такие как нитрат, сульфат или Fe (III), не участвуют; иначе процесс назывался бы дыханием, а не брожением. Термодинамически ферментация — это экзэргонический процесс со свободной энергией ΔG ° ‘<-20 кДж / моль.ΔG ° определено для 1 M субстратов и продуктов, 10 ⁵ Па для газов и при температуре 298 K. В биологических условиях в разбавленных водных растворах (55,5 MH ₂ O) и при pH 7,0 ΔG ° ′ используется. В этом обзоре значения ΔG ° ‘были рассчитаны на основе данных Thauer et al. (1977).

Хорошо зарекомендовавшая себя ферментация — это превращение глюкозы молочнокислыми бактериями в лактат при pH 7,0 с ΔG ° ‘= -185 кДж / моль (уравнение 1). Напротив, аэробное окисление глюкозы в клетках млекопитающих с O ₂ до CO ₂ и H ₂ O дает ΔG ° ‘= -2,872 кДж / моль (ур.2).

CH6O12 → 62CH-3CHOH-COO + -2H; + ΔG ° = ′ — 185 кДж / моль (1)

CH6O12 + 66O → 26CO + 26HO2; ΔG ° = ′ — 2,872 кДж / моль (2)

Окисление глюкозы посредством гликолиза, пируватдегидрогеназы, цикла Кребса (лимонной кислоты) и дыхательной цепи митохондрий — это очень хорошо проанализированные процессы, приводящие к примерно 38 моль АТФ / моль глюкозы; (-2,872 кДж / моль глюкозы): (38 моль АТФ / моль глюкозы) = -76 кДж / моль АТФ. Следовательно, в катаболической реакции с одной или несколькими необратимыми стадиями для генерации 1 моль АТФ требуется изменение свободной энергии на -76 кДж, тогда как в условиях равновесия необходимо только около -50 кДж (Thauer et al., 1977; Buckel and Thauer, 2013). Если это значение применяется к ферментации глюкозы до 2 лактата, выход АТФ должен быть (-185 кДж / моль): (-76 кДж / моль АТФ) = 2,4 АТФ, что на 20% выше, чем 2,0 АТФ на уровне субстрата. фосфорилирование при гликолизе. Этот пример показывает, почему сохранение энергии у ферментативных анаэробных бактерий считается неэффективным. Открытие того, что анаэробные бактерии могут дополнительно использовать электрохимические ионные градиенты для синтеза АТФ, катализируемого повсеместно распространенными H ⁺ или Na ⁺ -зависимыми F ₁ F ₀ -АТФ-синтазами (von Ballmoos et al., 2009) изменили эту точку зрения. Работа Конингса и его коллег показала, что в ферментирующем глюкозу Streptococcus cremoris экспорт сформированной молекулы молочной кислоты сопровождается протоном, который устанавливает электрохимический протонный градиент (Otto et al., 1980). Поскольку 2 молочные кислоты производятся из глюкозы, два дополнительных протона экспортируются, что может дать 0,5 АТФ, катализируемое АТФ-синтазой. Таким образом, участие электрохимических ионных градиентов позволяет бактериям использовать приращения энергии, меньшие, чем у 1 АТФ, что делает анаэробы даже более эффективными, чем аэробы.Следовательно, количество энергии для синтеза 1 АТФ у анаэробов сейчас считается примерно -66 кДж, а не -76 кДж у аэробов; см. раздел «Ферментация глутамата: путь 2-гидроксиглутарата или 3-метиласпартата?»

В этом обзоре я покажу, что у анаэробов есть ферменты, которые способны генерировать движущую силу Na ⁺ / H ⁺ , биотин-содержащие декарбоксилазы (см. Раздел «Биотин-содержащие декарбоксилазы как натриевые ионные насосы»). и НАД: ферредоксин оксидоредуктаза (Rnf, см. раздел «Ферредоксин Na + / H + насос: НАД оксидоредуктаза, также называемая Rnf»).В разделах «Электронная бифуркация на основе флавина» и «О механизме бифуркации электронов, катализируемой EtfAB-Bcd» дается введение в основанную на флавине бифуркацию электронов, с помощью которой получают «богатый энергией» восстановленный ферредоксин и флаводоксин. В разделе «Ферментация глутамата: путь 2-гидроксиглутарата или 3-метиласпартата?» вводятся 2-гидроксиглутаратный и 3-метиласпартатный пути ферментации глутамата, в которых применяются биотинсодержащие декарбоксилазы и Rnf вместе с фосфорилированием на уровне субстрата (SLP) для получения максимального теоретического выхода АТФ.В разделе «Кислородотолерантные и нетолерантные радикальные ферменты» рассматривается вопрос, почему природа выработала два разных пути ферментации глутамата. Наконец, в разделе «Бутират вызывает анаэробиоз кишечника» показано, как бутират превращает кишечник человека в бескислородную среду и идеальную среду для строгих анаэробных бактерий.

Биотин-содержащие декарбоксилазы как натриевые ионные насосы

Одновременно с открытием Конингса были обнаружены и изолированы бактериальные насосы Na ⁺ , управляемые декарбоксилированием (Buckel, 2001a).Первая декарбоксилаза этого типа была обнаружена Димротом (1980) у Klebsiella pneumoniae и охарактеризована в последующие годы как биотинсодержащий интегральный мембранный фермент, катализирующий декарбоксилирование оксалоацетата в пируват, ΔG ° ‘≈ -30 кДж / моль, связанный с транслокация 2 Na ⁺ . За этим прорывом последовала метилмалонил-КоА декарбоксилаза из Veillonella aerogenes (Hilpert and Dimroth, 1982) и глутаконил-КоА декарбоксилазы из Acidaminococcus fermentans, Peptostreptococcus asaccharolyticus ;, 1983) и Clostridium symbiosum (Buckel, Semmler, 1982, 1983). Эти ферменты имеют общий двухступенчатый механизм: карбоксильная группа субстрата переносится на связанный с ферментом биотин. Добавление протона к карбонильной группе образованного N-карбоксибиотина вызывает декарбоксилирование, которое приводит к перемещению ионов Na ⁺ из цитоплазмы через мембрану за пределы бактерии. Эти биотинсодержащие декарбоксилазы состоят из 3-5 субъединиц.Самая большая и гидрофильная α-субъединица катализирует перенос карбокси от субстрата к биотину, а чрезвычайно гидрофобная β-субъединица отвечает за декарбоксилирование карбоксибиотина и транспорт Na ⁺ . Биотин ковалентно присоединен к консервативному остатку лизина γ-субъединицы, а малая δ-субъединица соединяет α-субъединицу в цитоплазме с β-субъединицей в мембране (Vitt et al., 2020). Вариации наблюдаются с субъединицей γ. В оксалоацетатдекарбоксилазе от К.aerogenes , небольшой домен α-субъединицы служит γ-субъединицей (Schwarz et al., 1988; Xu et al., 2020), тогда как глутаконил-CoA декарбоксилаза из C. симбиоз содержит две немного разные γ-субъединицы. (Kress et al., 2009). Количество ионов Na ⁺ , переносимых этими насосами, может быть определено для оксалоацетатдекарбоксилазы из K. pneumoniae до 2 Na ⁺ на декарбоксилирование (Dimroth and Thomer, 1993). Это подтверждается недавней крио-ЭМ структурой (4.5 Å) тримерного комплекса βγ-субъединицы оксалоацетатдекарбоксилазы из Salmonella typhimurium , где были обнаружены два сайта связывания Na ⁺ в одной β-субъединице. К сожалению, связь между декарбоксилированием карбоксибиотина и транспортом Na ⁺ выяснить не удалось (Xu et al., 2020).

Оксалоацетатдекарбоксилаза из K. pneumoniae участвует в ферментации цитрата до 2 ацетатов, 1,2 CO ₂ и 0.5 формат. Путь включает расщепление цитрата до ацетата и оксалоацетата, декарбоксилирование последнего до CO ₂ , пирувата и ΔμNa ⁺ , расщепление пирувата КоА до ацетил-КоА и формиата, фосфорилирование на уровне субстрата (SLP) с ацетил-КоА до ацетат, КоА и АТФ. Генерация ΔμNa ⁺ используется для транспорта цитрата и для стимулирования эндергонического восстановления NAD ⁺ в анаболических целях формиатом через убихинол (Pfenninger-Li and Dimroth, 1992).Сбалансированная стехиометрия цитратной ферментации даст ΔG ° ‘= -78,7 кДж / моль, что представляет собой количество энергии, необходимое для синтеза примерно 1,2 АТФ (уравнение 3).

Цитрат + 3-HO2 → CO + 2формиат + -2ацетат; -ΔG ′ ° = -78,7 кДж / моль (3)

Propionigenium modestum развивается в результате очевидно очень простой химической реакции декарбоксилирования сукцината до пропионата (уравнение 4) (Hilpert et al., 1984). Пропионат-КоА-трансфераза превращает сукцинат в сукцинил-КоА, который перегруппировывается в ( R ) -метилмалонил-КоА в зависимости от кофермента B ₁₂ .Эпимеризация дает ( S ) -метилмалонил-КоА, который декарбоксилируется до пропионил-КоА, в результате чего образуется ΔμNa ⁺ (Hilpert and Dimroth, 1982). При низких концентрациях сукцината в Канале Гранде в Венеции, Италия (около 1 мМ), из которого был выделен этот организм (Schink, 1982), свободной энергии достаточно для примерно 1/2 АТФ (уравнение 4). ΔμNa ⁺ напрямую управляет Na ⁺ -зависимой F ₁ F _или -АТФ-синтазой (Лаубингер и Димрот, 1988).

Сукцинат + 2-H → + пропионат + -CO; 2ΔG ° = ′ — 24,4 кДж / моль; при концентрации 1 мМΔG * = ′ — 43,5 кДж / моль (4)

Насос Na

⁺ / H ⁺ Ферредоксин: над оксидоредуктаза, также называемый Rnf

Гены, кодирующие Rnf, известны из Rhodobacter capsulatus , где он участвует в фиксации азота и назван Rnf (от Rhodobacter фиксации азота) (Schmehl et al., 1993). Подобные гены были обнаружены в геноме C. tetani , близкого родственника C.tetanomorphum , мембраны которого катализируют окисление НАДН феррицианидом [гексацианоферратом (III)] (Brüggemann et al., 2003; Imkamp et al., 2007). Ферментный комплекс в мембранах из C. tetanomorphum , обладающий наивысшей активностью, может быть солюбилизирован додецилмальтозидом и очищен (Boiangiu et al., 2005; Jayamani, 2008). SDS-PAGE показал, что комплекс состоит из шести различных субъединиц RnfCDGEAB (Рисунок 1), RnfCDGE ​​связаны с четырьмя субъединицами NADH, перекачивающим натрий: хинон оксидоредуктаза (Nqr) из Vibrio cholerae (Steuber et al., 2014а, б). Желто-коричневатый нативный ферментный комплекс содержал ковалентно связанный флавин, нековалентно связанный FMN, рибофлавин и 23 ± 1 моль Fe на моль белка, скорее всего, в шести кластерах железо-сера (Boiangiu et al., 2005).

Рис. 1. Пример сохранения энергии в бутират-продуцирующих анаэробных бактериях за счет генерации силы ионного мотива. Разветвляющийся комплекс EtfAB-Bcd восстанавливает 2 Fd с помощью NADH, вызванный экзергоническим восстановлением кротонил-КоА до бутирил-КоА с помощью второго НАДН.Комплекс Rnf в мембране продуцирует 2 ΔμNa ⁺ в результате экзергонического восстановления NAD ⁺ на 2 Fd ^— . АТФаза генерирует 1 АТФ из 4 ΔμNa ⁺ .

Окисление НАДН феррицианидом, катализируемое Rnf в мембранных везикулах из C. tetanomorphum , не показало Na ⁺ -зависимости; вероятно, электроны не прошли через все шесть субъединиц из-за короткого замыкания. Поэтому реакцию проводили в обратном порядке. Восстановление NAD ⁺ измеряли в анализе, в котором 1 мМ цитрата Ti (III) использовали для поддержания ферредоксина в восстановленном состоянии.Контроли показали, что цитрат Ti (III) восстанавливает NAD ⁺ без ферредоксина и мембран при pH ≥ 7,0. Но при pH 6,8 снова не наблюдалось зависимости от Na ⁺ (Imkamp et al., 2007; Jayamani, 2008). Первый транспорт Na ⁺ с Rnf был продемонстрирован на мембранных везикулах из Acetobacterium woodii , NAD ⁺ , цитрата Ti (III) и ²² Na ⁺ Бигелем и Мюллером (2010). Электрогенный транспорт стимулировался валиномицином в присутствии K ⁺ и ингибировался 100 мкМ Na ⁺ -ионофор N, N, N ’, N’-тетрациклогексил-1,2-фенилендиоксидиацетамидом (ETH 2120).Позже цитрат Ti (III) был заменен очищенной дегидрогеназой монооксида углерода / ацетил-CoA-синтазой и CO в качестве восстановителя для ферредоксина, что привело к гораздо более надежным зависимостям от Na ⁺ (Hess et al., 2013). Аналогичным образом восстановленный ферредоксин и флаводоксинхинол были образованы с помощью флавопротеина с диссоциативным переносом электронов (EtfAB) и бутирил-CoA дегидрогеназы (Bcd) из A. fermentans (см. Также следующую главу, уравнение 5). С мембранами от А.fermentans было показано, что активность Rnf была Na ⁺ -зависимой с кажущейся K _m = 120 ± 20 мкМ Na ⁺ и K _m = 280 ± 50 мкМ Li ⁺ при pH 6,8; Кроме того, были измерены K _m = 2,0 ± 0,4 мкМ флаводоксина и 1,4 ± 0,1 мкМ ферредоксина (Chowdhury et al., 2016). Значения Rnf из A. woodii были: K _m = 201 ± 30 мкМ Na ⁺ при pH 6 и K _m = 155 ± 39 мкМ Na ⁺ при pH 7.7 (Hess et al., 2013). Удивительно, но значения K _m для Na ⁺ и Li ⁺ намного ниже, чем у содержащего биотин Na ⁺ , накачивающего глутаконил-КоА декарбоксилазу из A. fermentans (Buckel and Semmler, 1982) или оксалоацетатдекарбоксилазы из K. pneumoniae (Dimroth and Thomer, 1986), которые демонстрируют кажущиеся K _m значения 1,0–1,5 мМ Na ⁺ и 25–100 мМ Li ⁺ .Недавнее исследование показало, что не все анаэробные бактерии содержат Rnfs и не все Rnfs зависят от Na ⁺ . Таким образом, активность Rnf отсутствует у R. capsulatus и Escherichia coli , но присутствует также у Bacteroides fragilis , Clostridium ljungdahlii , V. cholerae и Clostridium klustridium. Помимо C. tetanomorphum , A. fermentans и A. woodii , Na ⁺ -зависимость могла быть обнаружена только в Rnf из B.fragilis (Hess et al., 2016).

Электронная бифуркация на основе флавина

Ферредоксин-зависимая бифуркация электронов представляет собой важный дополнительный процесс для генерации богатой энергией молекулы. Только некоторые ферменты, такие как пируват ферредоксин: оксидоредуктазы (PFOR), восстанавливают ферредоксин, субстрат Rnf. При поиске восстановителя, отличного от PFOR, были учтены бутирил-КоА дегидрогеназы (Bcd), потому что разница между потенциалами восстановления НАД / НАДН, E ₀ ‘= -320 мВ и кротонил-КоА / бутирил-КоА, E ₀ ‘= -10 мВ, составляет +310 мВ, равно ΔG ° ′ = — n × F × Δ E _o ‘ = −2 × 96.5 × 0,310 В = -59,8 кДж моль ^–1 . Вероятно, Bcd также восстанавливает ферредоксин или насосы Na ⁺ , вызываемые этим большим ΔG ° ’. Гипотеза о мембраносвязанной бутирил-КоА-дегидрогеназе (Bcd) может быть опровергнута уже известным выделением растворимого зеленого гомотетрамерного Bcd из A. fermentans , который можно отделить от желтого гетеродимерного электронно-переносящего флавопротеина (EtfAB) (Buckel, 1990). Очень похожий зеленый растворимый Bcd был известен из Megasphaera elsdenii (ранее назывался Peptostreptococcus elsdenii ) (Engel and Massey, 1971), который похож на A.fermentans принадлежит к Negativicutes , классу с грамотрицательной клеточной стенкой преимущественно грамположительного типа Firmicutes (лат. cutis firma = прочная внешняя оболочка) (Marchandin et al., 2010). Напротив, бутирил-КоА дегидрогеназа из грамположительного C. tetanomorphum образует прочный комплекс с гетеродимерным EtfAB (EtfAB-Bcd). Но мечение иммунным золотом и электронная микроскопия ясно показали, что этот комплекс EtfAB-Bcd также не был связан с мембраной (Herrmann, 2008).Тем не менее, из этих отрицательных результатов возникла гипотеза о том, что восстановление кротонил-КоА с помощью НАДН, катализируемое Bcd из C. tetanomorphum , каким-то образом участвует в восстановлении ферредоксина ( E _o ‘= -420 мВ) . Кроме того, с 1969 года было известно, что клеточные экстракты Clostridium kluyveri катализируют ацетил-КоА-зависимое восстановление ферредоксина с помощью НАДН (Thauer et al., 1969). Поскольку клеточный экстракт содержал все ферменты для синтеза бутирата (Seedorf et al., 2008), как и клетки C. tetanomorphum , именно ферредоксин действительно должен восстанавливаться под действием НАДН. Подобно комплексу III дыхательной цепи митохондрий, было постулировано, что NADH восстанавливает EtfAB, который экзергонически разветвляет один электрон на δ-FAD Bcd, а другой — на ферредоксин (уравнение 5) (Herrmann et al., 2008). Для восстановления кротонил-КоА двумя электронами требуется повторение реакции:

2НАДН + кротонил-КоА + 2Fd → 2НАД ++ Бутирил-КоА + 2Fd; -ΔE = o ′ + 210 мВ; ΔG ° = ′ — 40.5 кДж / моль (5)

Эта гипотеза была сначала проверена на очищенном комплексе Etf-Bcd из C. kluyveri (Li et al., 2008). Каталитические количества очищенного ферредоксина из Clostridium pasteurianum регенерировали очищенной [FeFe] гидрогеназой также из C. pasteurianum . Если один из компонентов этого анализа (НАДН, кротонил-КоА, Fd, гидрогеназа или EtfAB-Bcd) был опущен, никакой реакции не наблюдалось. Следовательно, система бифуркации электронов сильно связана.Очищенный комплекс Etf-Bcd из C. tetanomorphum катализирует точно такую ​​же реакцию, как в ур. 5, как и комбинация Bcd и EtfAB из A. fermentans или M. elsdenii (Chowdhury et al., 2014, 2015).

О механизме бифуркации электронов, катализируемой EtfAb-Bcd

Для изучения механизма бифуркации электронов был выбран EtfAB-Bcd, поскольку он не содержит кластера железо-сера и в состоянии покоя устойчив на воздухе; о других раздвоенных системах см .: Buckel and Thauer (2018a, b) и Kayastha et al.(2021 г.). EtfAB-Bcd содержит три по-разному связанные молекулы FAD, α- и β-FAD в EtfAB и δ-FAD, по одной в каждой субъединице тетрамерного Bcd (рис. 1). В качестве источника EtfABs наиболее подходящими организмами являются A. fermentans (Chowdhury et al., 2014) и M. elsdenii (Chowdhury et al., 2015; Vigil et al., 2021), поскольку их EtfAB не образуют плотные комплексы со своими Bcds и могут быть изучены отдельно. Кристаллическая структура EtfAB из A. fermentans ( Af -EtfAB) выявила его состав из 3 доменов, аналогичных таковым EtfAB, участвующим в окислении жирных кислот и анаэробного толуола (Рисунок 2, состояние, подобное бифуркации) (Chowdhury et al. ., 2014; Vogt et al., 2019). Домены I и II образуют субъединицу A и субъединицу B домена III. Α-FAD расположен в домене II (субъединица A) с его изоаллоксазиновым кольцом на границе с доменом III (субъединица B). β-FAD находится в домене III с его изоаллоксазиновым кольцом на границе раздела между доменами III и I. β-FAD присутствует только в бифуркационных Etfs, тогда как в небифуркационных Etfs, например, действующих как акцепторы электронов ацил-CoA дегидрогеназ, Только AMP занимает место AMP части β-FAD; место для изоаллоксазиновой части пусто (Roberts et al., 1996). В Af -EtfAB расстояние между α- и β-FAD составляет 18 Å; возможное вращение α-FAD на гибком домене II в сторону β-FAD примерно на 10 ° сокращает расстояние между двумя FAD до 14 Å, самого длинного расстояния туннелирования быстрых электронов (Moser et al., 1992). НАДН расположен близко к β-ФАД. Поскольку уже известная структура Bcd из M. elsdenii ничего не говорит о взаимодействии с Etf (Djordjevic et al., 1995), структура плотного комплекса EtfAB-Bcd из Clostridium difficile была решена (рис. , Состояние дегидрогеназы) (Demmer et al., 2017). Структура выявила гомотетрамерный Bcd с одним EtfAB в каждой субъединице (EtfAB) ₄ (Bcd) ₄ . Кроме того, α-FAD на гибком домене II повернулся примерно на 80 ° в противоположном направлении по отношению к δ-FAD Bcd на расстояние 8 Å. Таким образом, две структуры представляют два состояния раздвоенной системы. Структура одного EtfAB близка к бифуркационному состоянию с расстоянием между α-FAD и β-FAD 18 Å. В комплексе с Bcd α-FAD переходит в D-состояние дегидратазы, которое отделяет его от β-FAD на 34 Å (рис. 2).

Рисунок 2. Частичные кристаллические структуры рекомбинантного комплекса Etf-Bcd из C. difficile , продуцированного в E. coli; Отображаются EtfAB и 2 субъединицы тетрамерного Bcd. Состояние дегидратазы показывает, что структура решена. В состоянии бифуркации домен II Etf повернул CW на 80 °, как обнаружено в Etf из A. fermentans (см. Красную стрелку) ; Etf, домены I + II (субъединица A) зеленым, домен III (субъединица B) светло-коричневым, Bcd1 желтым и Bcd2 розовато-коричневым.В состоянии дегидратазы α-FAD и δ-FAD расположены близко друг к другу (расстояние 8 Å) и готовы к ET. В состоянии, подобном бифуркации, α-FAD и β-FAD находятся на расстоянии 18 Å; дальнейшее вращение на 10 ° CW сблизило бы их на 4 Å, готовые к бифуркации электронов (взято из Buckel and Thauer, 2018a).

Потенциометрическое титрование дитионитом в анаэробных условиях с последующей УФ / видимой спектроскопией выявило потенциалы восстановления E ₀ ‘для EtfAB, α-FAD / α-FAD ^{• —} = +134 мВ, α-FAD ^{• —} / α-FADH ^— = −36 мВ, β-FAD / β-FADH ^{• —} = −271 мВ; для Bcd, δ-FAD / δ-FAD ^{• —} = −42 мВ, δ-FAD ^– / δ-FADH ^– = −64 мВ (Рисунок 3; Sucharitakul et al., 2021б). Потенциалы одноэлектронного восстановления β-FAD не могли быть измерены с помощью применяемого метода, поскольку ожидается, что период полураспада семихинона будет чрезвычайно коротким, T _1/2 ок. 10 пс (Lubner et al., 2017). По аналогии с давно известным Q-циклом в митохондриальном комплексе III, для бифуркации электронов необходим реактивный β-FAD ^{• —} с чрезвычайно низкой константой стабильности (log K _s << 0) (уравнение 6) (Bergdoll et al., 2016).Следовательно, потенциал восстановления β-FAD / β-FAD ^{• —} должен быть намного более отрицательным, чем потенциал восстановления β-FAD ^{• —} / β-FADH ^— , тогда как для флавопротеинов со стабильными семихинонами все наоборот. (log K _s > 0), например, флаводоксин из A. fermentans с потенциалами восстановления для FAD / FAD ^— = -60 мВ намного выше, чем для FAD ^— / FADH ^— = −420 мВ (Hans et al., 2002).

Рисунок 3. Схема бифуркации электронов в комплексе EtfAB-Bcd. Различные FAD размещаются в соответствии с их приблизительным восстановительным потенциалом. НАДН восстанавливает β-ФАД до β-ФАДН ^—, который разветвляется. Один электрон направляется к α-FAD ^–, а образовавшийся семихинон β-FAD ^{• —} восстанавливает ферредоксин (Fd) до Fd ^–. Образовавшийся гидрохинон (α-FADH ^— ) переходит на Bcd и передает один электрон на δ-FAD. Обратите внимание на уменьшение восстановительного потенциала α-FAD ^{• —} из-за изменения местоположения с Etf на Bcd.Повторение этого процесса дает δ-FADH ^—, который восстанавливает кротонил-КоА до бутирил-КоА. Семихиноны FAD — красные, хиноны — желтые, а гидрохиноны — бесцветные (Sucharitakul et al., 2021a, b).

Ks = [FAD • -] 2 [FAD] × [FADH] -≤10≥-1410-21 (6)

Чтобы преобразовать K _s в одноэлектронные потенциалы восстановления бифуркационного кофактора с потенциалом восстановления E ₀ ’, соотношение ур.7 используется. Графический график зависимости E ‘от бревна K _s дает две прямые линии, которые пересекаются под углом E ‘ = E _o ‘и log K _s = 0. При log K _s > 0 потенциалы нормальные, а при log K _s <0 потенциалы обратны или называются «скрещенными» (Nitschke and Russell, 2012).

E = ′ ± (2.3RT1 / 2F × -1logK) с + E′o (7)

E = ′ ± (0,0295 × logK) s + E; o′atT = 298K

Два значения K _s были определены экспериментально, от 10 ^–14 до 10 ^–15 с цитохромом bc ₁ комплекс III (Zhang et al., 2007) и 10 ^{— 21} с бифуркационным ферментом архей NAD ⁺ ферредоксин-НАДФ редуктаза (Nfn), который обратимо раздваивает электроны с НАДФН на ферредоксин и НАД ⁺ (ур.8) (Lubner et al., 2017).

2НАДФ + НАД ++ 2Fd = 2НАДФ ++ НАДН + 2Fd + -H + (8)

Помимо Archaeon Pyrococcus furiosus (Lubner et al., 2017), Nfn также был охарактеризован из бактерий C. kluyveri (Wang et al., 2010), Thermotoga maritima (Demmer et al., 2015) и Sporomusa ovata (Kremp et al., 2020). Фермент действует как трансгидрогеназа и в обратном направлении обеспечивает с «богатым энергией» Fd ^— , что отношение NAD ⁺ / NADPH остается низким при E ‘= -380 мВ и NAD ⁺ / NADH. отношение высокое при E ‘= −280 мВ.Следовательно, in vivo, НАДФН является лучшим восстановителем, а НАД ⁺ — лучшим окислителем.

Согласно формуле. 7, потенциалы одноэлектронного восстановления β-FADH ^— вычислены с принятым логарифмом K _с = от -15,2 до ± 0,0295 × (-15,2) + (-0,271) = ± 0,448-0,271. = +0,177 и -0,719 Вольт (рисунок 3; Buckel and Thauer, 2018a). Электрон с более высоким потенциалом движется эндергонически от +177 мВ до α-FAD ^— (-36 мВ), а электрон с более низким потенциалом эксэргонически переходит от -719 мВ к ферредоксину (-390 мВ), находящемуся примерно на 6 Å от β- FAD.Таким образом, два одноэлектронных переноса связаны; первый электрон движется вверх только в том случае, если второй электрон падает вниз до ферредоксина, и наоборот (рис. 3). Теперь сформированный α-FADH ^– поворачивается на 90 ° в сторону Bcd и передает один электрон на δ-FAD Bcd, а регенерированный α-FAD ^– возвращается в β-FAD. Удивительно, но в присутствии Bcd потенциал восстановления образовавшегося α-FADH ^— изменяется, приближаясь к двухэлектронному потенциалу восстановления α-FAD / α-FADH ^— = -228 мВ, что позволяет значительно лучше перенос электрона в потенциал δ-FAD / δ-FAD ^— = +162 мВ.Следующая бифуркация электронов переносит один электрон через α-FADH ^— в δ-FAD ^— (-63 мВ), и образовавшийся δ-FADH ^— изменяется на двухэлектронный восстановительный потенциал -100 мВ, что легко восстанавливает кротонил-КоА до бутирил-КоА (-10 мВ; рис. 3).

Вероятно, читатель задается вопросом, почему во время бифуркации электронов α-FAD ^{• —} , а не α-FAD, действует как акцептор с высоким потенциалом. Есть три причины: во-первых, потенциал восстановления α-FAD с +134 мВ слишком высок, тогда как потенциал α-FAD ^{• —} находится в более правильном диапазоне -36 мВ.При бифуркации электронов разность потенциалов между β-FADH ^— и α-FAD ^{• —} с + 179 — (- 36) = +215 мВ должна быть аналогична отрицательной разности потенциалов β-FADH ^— и Fd с — 719 — (- 390) = -329 мВ, чтобы гарантировать плотное соединение. С α-FAD в качестве акцептора разница + 179 — (+ 134) = +45 мВ была бы слишком малой. Во-вторых, изменение одноэлектронного восстановительного потенциала α-FADH ^— на двухэлектронный восстановительный потенциал не может происходить в состоянии α-FAD ^{• —} .В-третьих, как только EtfAB встречает NADH, in vitro или in vivo, α-FAD восстанавливается до семихинона (Sucharitakul et al., 2021a). Наконец, остановленные измерения потока, выполненные Джерусом Сухаритакулом, напрямую показали, что Etf с α-FADH ^— действительно передал один электрон Bcd, тогда как с α-FAD ^{• —} переноса электронов не наблюдалось (Sucharitakul et al., 2021b, неопубликовано) .

Ферментация глутамата: путь 2-гидроксиглутарата или 3-метиласпартата?

В предыдущих главах описывались ферментные системы, которые способны создавать электрохимические градиенты Na ⁺ или H ⁺ для сохранения энергии у анаэробных бактерий.Кроме того, была представлена ​​бифуркация электронов как основной источник восстановленного ферредоксина. В этой главе показано, как эти системы используются в двух путях ферментации глутамата для получения теоретического выхода АТФ / глутамата (уравнение 9). -314 кДж / 5 глутамата: -66 кДж / АТФ = 4,8 АТФ / 5 глутамат; 0,96 АТФ / глутамат.

5Глутамат + -6HO2 + 2H → + 5NH + 4 + 5CO2 + 6ацетат + -2бутират + -h3 (9)

(Buckel, 2001b).

В пути 2-гидроксиглутарата (Рисунок 4), который был обнаружен в A.fermentans , C. symbiosum , P. asaccharolyticus и F. nucleatum (Buckel and Barker, 1974), NAD ⁺ окисляет глутамат до 2-оксоглутарата и аммиака (Hornby and Engel, 1984). Образовавшийся НАДН восстанавливает 2-оксоглутарат до ( R ) -2-гидроксиглутарата (Yu et al., 2012), который превращается в тиоэфир ацетил-КоА (Buckel et al., 1981) и дегидратируется до глутаконил-КоА. ; обзор см. в Buckel (2019). Глутаконил-КоА является субстратом третьей группы биотин-содержащих и Na ⁺ -зависимых декарбоксилаз (Buckel and Semmler, 1983).Глутаконил-КоА представляет собой винилогичный малонил-КоА, в котором -карбоксилат активирован в равной степени, как и -карбоксилаты в малонил-КоА и метилмалонил-КоА. Декарбоксилирование 5-глутаконил-КоА дает 5 × 2 ΔμNa ⁺ и 5-кротонил-КоА (2-бутеноил-КоА), три из которых окислительно диспропорционируют до 6 ацетил-КоА и 3 НАДН (рис. 5). Четыре НАДН восстанавливают 2-кротонил-КоА до 2-бутирил-КоА и 4-ферредоксин (Fd) до 4 Fd ^— посредством бифуркации электронов. Два Fd ^— дают H ₂ , катализируемый [FeFe] гидрогеназой, а два других Fd ^— до 2 ΔμNa ⁺ + 1 NADH через Rnf.Таким образом, необходимо учитывать 5 ΔμNa ⁺ , используемые для транспорта 5 глутаматов в клетку (Brüggemann et al., 2003). Чистая сохраненная энергия составляет 5 × 2 + 2 — 5 = 7 ΔμNa ⁺ и 2 бутирил-КоА + 6 ацетил-КоА, 5 из которых необходимы для активации 5 × 2-гидроксиглутаратов. Оставшиеся 3 тиоэфира эквивалентны 3 АТФ по SLP (таблица 1). Если 4 ΔμNa ⁺ дают 1 АТФ, то, как и ожидалось, выход составляет 7/4 + 3 = 4,75 (≈ 4,8) АТФ / 5 глутамата.

Рисунок 4. Ферментация глутамата через 2-гидроксиглутарат или через 3-метиласпартат. Цифры в кружках представляют соответствующие ферменты; красными цифрами обозначены радикальные ферменты: 1, ( S ) -глутаматдегидрогеназа; 2, ( R ) -2-гидроксиглутаратдегидрогеназа; 3, глутаконат-КоА-трансфераза; 4, ( R ) -2-гидроксиглутарил-КоА дегидратаза; 5, глутаконил-КоА декарбоксилаза, Na ⁺ — накачка; 6, глутаматмутаза, кофермент B ₁₂ -зависимый; 7, метиласпартаза; 8, мезаконаза; 9, ( S ) -цитрамалатлиаза; 10, пируват: ферредоксин оксидоредуктаза (PFOR).Ас-КоА, ацетил или глутаконил-КоА; Fd, ферредоксин; Fd ^— , ферредоксин восстановленный. Образование бутирата и ацетата показано на фиг. 5. Водород H ₂ образуется из 2 H ⁺ и 2 Fd ^—, катализируемого [FeFe] -гидрогеназой.

Рис. 5. Синтез бутирата у анаэробных бактерий. 1, тиолаза; 2, ( S ) -3-гидроксибутирил-КоА дегидрогеназы, специфичные для НАДН и НАДФН; 3, ( S ) -3-гидроксибутирил-КоА дегидратаза; 4 — электроноразветвляющий комплекс EtfAB-бутирил-КоА дегидрогеаза; 5, бутират-КоА-трансфераза.

Рисунок 6. Бутират питает клетки слизистой оболочки и делает анаэробный кишечник. Большая часть пищи переваривается и всасывается в тонком кишечнике. Оставшиеся волокна гидролизуются до моносахаридов и аминокислот анаэробными бактериями и ферментируются в толстой или толстой кишке до ацетата, пропионата и бутирата. Клетки слизистой оболочки сжигают произведенный бутират с кислородом из крови и толстой кишки, в результате чего толстая кишка становится строго анаэробной.

Таблица 1. Энергосбережение в двух путях ферментации глутамата.

Несколько клостридий, Clostridium tetanomorphum , C. cochlearium и C. tetani , используют совершенно другой путь ферментации глутамата, но с той же стехиометрией, что и через 2-гидроксиглутарат (уравнение 9) (Buckel and Баркер, 1974). Этот путь 3-метиласпартата инициируется зависимой от кофермента B ₁₂ перегруппировкой углеродного скелета ( S ) -глутамата в (2 S , 3 S ) -3-метиласпартат (Barker et al., 1964), из которого аммиак легко удаляется с получением мезаконата (метилфумарата) (Barker et al., 1959). Добавление воды дает ( S ) -цитрамалат (2-метилмалат) (Blair and Barker, 1966), который расщепляется на ацетат и пируват (Buckel and Bobi, 1976). Окисление 5-пирувата до 5-ацетил-КоА, 5 CO ₂ и 10 Fd ^— катализируется пируватом: ферредоксин оксидоредуктазой (PFOR) (Рисунок 4). 4 Ацетил-КоА конденсируются с 2 ацетоацетил-КоА, которые восстанавливаются 2 НАДН до 2 ( S ) -3-гидроксибутирил-КоА, дегидратируются до 2-кротонил-КоА и далее восстанавливаются 4 НАДН до 2-бутирил-КоА и 4 восстановил ферредоксин посредством бифуркации электронов (рис. 5).Для уменьшения 6 NAD ⁺ с помощью Rnf потребляется 12 Fd ^— , что дает 12 ΔμNa ⁺ . Оставшиеся 2 Fd ^— используются для получения 1 H ₂ . Импорт 5-глутамата потребляет 5 ΔμNa ⁺ . Таким образом, 3 АТФ получают через SLP из 1 ацетил-КоА и 2 бутирил-КоА и 7/4 АТФ из оставшихся 12–5 = 7 ΔμNa ⁺ , всего 4,75 АТФ / 5 глутамата, как и в 2 -гидроксиглутаратный путь (таблица 1).

Ферментация глутамата с помощью метиласпартата или 2-гидроксиглутарата приводит к идентичным продуктам и одинаковым количествам консервативного АТФ.Поэтому возникает вопрос, почему бактерии используют исключительно один из этих путей. Можно было бы ожидать, что бактерии предпочитают путь 2-гидроксиглутарата, потому что путь 3-метиласпартата требует около 30 дополнительных ферментов для анаэробного биосинтеза кофермента B ₁₂ (Moore and Warren, 2012), тогда как в пути 2-гидроксиглутарата только Участвуют повсеместно распространенные кофакторы НАД, ФАД, КоА, пиридоксаль-5′-фосфат и биотин. Эти кофакторы не являются специфическими для метаболизма, потому что они также необходимы для анаболизма.В отсутствие витамина B ₁₂ , Fusobacterium varium использует путь 2-гидроксиглутарата, тогда как после добавления в среду 1 мкМ витамина B ₁₂ или всего 1 мкМ CoCl ₂ организм ферментирует глутамат через 3- метиласпартат (Ramezani et al., 2011). Следовательно, F. varium способен синтезировать кофермент B ₁₂ , когда присутствует Co ²⁺ , и аргумент, что экспрессия 30 дополнительных генов для синтеза B ₁₂ благоприятствует пути 2-гидроксиглутарата, неприменим.Следовательно, причину существования этого пути нужно искать в другом месте.

Организмы, использующие 2-гидроксиглутаратный путь, A. fermentans, P. asaccharolyticus, C. symbiosum, F. nucleatum и F. varium , были выделены из анаэробных ниш человека-хозяина, предпочтительно из толстой кишки человека. Напротив, представители 3-метиласпартатного пути C. tetanomorphum, C. tetani, C. cochlearium, C. lentoputrescens, C. limosum, C. malenominatum были обнаружены вне кишечника в таких местах, как почва, где органические вещества разлагается анаэробно (Buckel, 2001b).Использование пути 2-гидроксиглутарата в кишечнике человека может быть связано с гораздо более низкой концентрацией кислорода по сравнению с почвой, которая часто подвергается воздействию воздуха через корни растений, дождевых червей, кротов и т.д. важный путь может быть ответственным за экологию организма.

Оба пути ферментации глутамата содержат чувствительные к кислороду радикальные ферменты. В то время как коэнзим B ₁₂ -зависимая глутаматмутаза в пути 3-метиласпартата лишь умеренно чувствительна к кислороду, 2-гидроксиглутарил-КоА дегидратаза в пути 2-гидроксиглутарата сразу становится неактивной после воздействия воздуха.Коэнзим B ₁₂ -зависимые мутазы катализируют обратимую радикальную перегруппировку метинового радикала в метиленовый радикал. Процесс инициируется гомолизом углерод-кобальтовой связи кофермента B ₁₂ . Образовавшийся 5′-дезоксиаденозильный радикал отрывает атом водорода Si от метиленовой группы у С3 ( S ) -глутамата и после перегруппировки добавляет его обратно к образовавшемуся метиленовому радикалу, давая метильную группу (2 S ). , 3 S ) -3-метиласпартат.После каждого поворота радикал исчезает за счет реформирования углерод-кобальтовой связи кофермента, обзор см. В Buckel and Golding (1996). Таким образом, в присутствии воздуха радикалы подвергаются воздействию кислорода только временно, как кофермент B ₁₂ -зависимая мутаза метилмалонил-КоА в митохондриях человека.

Напротив, 2-гидроксиглутарил-КоА-дегидратаза действует с совершенно другим радикальным механизмом (Buckel and Keese, 1995), обзор см. В Buckel (2019). Ферментная система состоит из двух белков.Гомодимерный активатор содержит один АДФ в каждой субъединице и один кластер [4Fe-4S], координированный четырьмя цистеинами, по два от каждой субъединицы, аналогично белку железа (NifH) нитрогеназы (Locher et al., 2001). Гетеродимерная дегидратаза содержит по одному кластеру [4Fe-4S] в каждой субъединице. Каждый кластер координируется тремя цистеинами; четвертая координация занята в субъединице A атомом серы и в субъединице B водой, которая может быть замещена карбонилом тиоэфира субстрата. Дегидратация инициируется АТФ / АДФ-обменом активатора и восстановлением его кластера [4Fe-4S] ²⁺ восстановленным ферредоксином (Fd ^— ).Под действием гидролиза АТФ дополнительный электрон переносится или «выстреливается» в кластер [4Fe-4S] субъединицы A и далее перемещается в кластер B, где связан 2-гидроксиглутарил-КоА. Электрон в кластере B восстанавливает карбонил сложного тиоэфира до кетильного радикала, который из-за своей более низкой основности заменяется из железа гидроксильной группой в C-2, процесс, называемый заменой лиганда. С помощью железа кластера B нуклеофильный кетил устраняет гидроксильную группу с образованием еноксирадикала. Гидроксильная группа у железа кластера действует как основание для удаления теперь кислого β-протона в C-3.Образующийся в результате аллильный кетил заменяет образовавшуюся воду путем перестановки второго лиганда и возвращает электрон через кластер B в кластер A. Образовавшийся продукт глутаконил-CoA высвобождается, и кластер B способен принимать следующий субстрат вместе с кластером электронной формы A. Дегидратаза способна катализировать по крайней мере 1000 оборотов, прежде чем потребуется гидролиз другой молекулы АТФ для продолжения катализа (Kim et al., 2005). Доказательство этого механизма было получено путем обнаружения соответствующего аллильного кетильного радикала ( R ) -2-гидроксиизокапроил-КоА дегидратазы при температуре ° C.difficile (Kim et al., 2008).

Экспериментально показано, что ( R ) -2-гидроксиацил-КоА дегидратазы действительно намного более чувствительны к кислороду, чем мутазы, зависимые от кофермента B ₁₂ углеродного скелета. В то время как 2-гидроксиглутаратдегидратазы нужно было очищать и анализировать при строгом исключении кислорода (Kim et al., 2005), глутаматмутазу можно было очистить на воздухе. Однако во время катализа примерно через 1 мин наблюдалось значительное влияние воздуха на скорость образования 3-метиласпартата из глутамата (Leutbecher et al., 1992). В дегидратазах электрон никогда не исчезает во время каталитического цикла, а железо-серный кластер активатора доступен для растворителя, что делает его чрезвычайно чувствительным к кислороду. Возникает вопрос, почему кишечник, в котором активны ( R ) -2-гидроксиацил-КоА дегидратазы, содержит такие низкие концентрации кислорода, несмотря на его обильное снабжение богатой кислородом кровью (см. Раздел «Бутират вызывает анаэробиоз в кишечнике»).

Кислородотолерантные и нетолерантные радикальные ферменты

В предыдущих главах было показано, что 3-метиласпартатный путь переносит кислород, потому что после каждого оборота глутаматмутазы кобальт-углеродная связь между 5′-дезоксиаденозильным радикалом и аламином cob (II) преобразуется.Таким образом, только во время катализа радикал подвергается воздействию кислорода. Напротив, в ( R ) -2-гидроксиглутарил-КоА дегидратазе альтернативного пути ферментации глутамата радикал всегда присутствует и подвергается воздействию среды. Кроме того, железо-серные кластеры дегидратазы и ее активатора очень чувствительны к кислороду. Скорее всего, это причина того, что организмы пути 2-гидроксиглутарата встречаются только в кишечнике или в строго анаэробных морских отложениях. Кроме того, B ₁₂ -зависимые мутазы и элиминазы углеродного скелета, а также тиаминдифосфат-зависимые ферменты замещаются в кишечнике ферментами глицильных радикалов (таблица 2).Подобно ( R ) -2-гидроксиацил-КоА дегидратазам, ферментам с глицильными радикалами также требуются специфические активирующие ферменты. Эти активазы принадлежат к большому семейству радикальных ферментов SAM, которые катализируют одноэлектронное восстановление S-аденозилметионина (SAM) до метионина и 5′-дезоксиаденозильного радикала. Этот радикал необратимо отрывает один водород от консервативного остатка глицина фермента с образованием стабильного радикала, связанного с белком. При связывании субстрата глицильный радикал отводит сульфгидрильный водород с образованием ближайшего цистеинового остатка, который, в свою очередь, удаляет атом водорода от субстрата.После перегруппировки радикал возвращается к остатку глицина и остается стабильным до следующего оборота, если только он не подвергается атаке кислорода (Knappe, Sawers, 1990; Shisler, Broderick, 2014).

Таблица 2. Пары толерантных к кислороду и непереносимых ферментов, которые катализируют одну и ту же реакцию или являются ключевыми ферментами альтернативных путей, приводящих к одним и тем же продуктам.

Многие организмы, включая человека, способны разлагать пропионат посредством карбоксилирования пропионил-КоА до ( S ) -метилмалонил-КоА и рацемизации до ( R ) -метилмалонил-КоА, который перегруппировывается в сукцинил-КоА, опосредованный коферментом B. ₁₂ .Цикл Кребса превращает сукцинил-КоА в оксалоацетат, который вступает в глюконеогенез или разлагается через пируват до ацетил-КоА. Пропионибактерии используют обратный путь для производства пропионата из сукцината. Veillonella alcalescens и P. modestum сохраняют энергию с помощью биотин-зависимого Na ⁺ -помпа ( S ) -метилмалонил-КоА декарбоксилазы (Hilpert and Dimroth, 1982; Schink, 1982). Напротив, Clostridium propionicum , выделенный из морской грязи (Cardon and Barker, 1946), превращает аланин, цистеин и серин через пируват (Hofmeister et al., 1993) в ( R ) -лактат, который дегидратируется через ( R ) -лактил-КоА до акрилил-КоА (Schweiger and Buckel, 1984; Hofmeister and Buckel, 1992) и восстанавливается до пропионил-КоА (Hetzel и др., 2003). Как и 2-гидроксиглутарил-КоА-дегидратаза, лактил-КоА-дегидратаза является чрезвычайно чувствительным к кислороду радикальным ферментом (Parthasarathy et al., 2010). Микроорганизм рубца Megasphaera elsdenii снижает примерно половину потребляемого лактата таким же образом, как C. propionicum ; другая половина окисляется до ацетил-КоА, из которого образуются бутират (C2 + C2), валерат (C2 + C3) и капроат (3 × C2) (Lewis and Elsden, 1955).

Пиридоксаль-5′-фосфат-зависимое отщепление воды от треонина приводит к 2-оксобутирату и аммиаку (Hofmeister et al., 1993). Гомоцистеин, полученный из метионина, подвергается элиминации, аналогичной 2-оксобутирату, аммиаку и сульфиду. Некоторые анаэробные бактерии окисляют 2-оксобутират ферредоксином до пропионил-КоА, катализируемого тиаминдифосфатным (TDP) ферментом, и выделяют пропионат. C. propionicum восстанавливает 2-оксобутират до ( R ) -2-гидроксибутирата и дегидратирует ( R ) -2-гидроксибутирил-КоА до кротонил-КоА, катализируемый ( R ) -лактил-КоА дегидратазой ( Хофмайстер и Бакель, 1992).

Известны три удаления воды из 1,2-диолов, каждый из которых катализируется двумя разными ферментами, либо зависимыми от кофермента B ₁₂ , либо гораздо более чувствительными к кислороду ферментами глицильных радикалов (таблица 2). Коэнзим B ₁₂ -зависимая глицериндегидратаза катализирует удаление центральной гидроксильной группы глицерина с образованием 3-гидроксипропаналя (Forage and Foster, 1982), который может быть восстановлен до 1,3-пропандиола, строительного блока сложных полиэфиров. Открытие глицилрадикальной дегидратазы из Clostridium butyricum (O’Brien et al., 2004), хотя он чрезвычайно чувствителен к кислороду, проложил путь к более экономичной ферментации 1,3-пропандиола из глицерина, поскольку уже установленная процедура с ферментом, зависимым от коэнзима B ₁₂ , требовала кормления драгоценным витамином B ₁₂ . Механизм зависимой от кофермента B ₁₂ элиминации был впервые изучен с помощью пропан-1,2-диолдегидратазы из Aerobacter aerogenes Яношем Ретей и Дулио Аригони в Швейцарии (Rétey et al., 1966), а также Роберта Х. Абелеса (Zagalak et al., 1966) в США. В кишечнике человека расщепление L-фукозы (6-дезоксигалактозы) и L-рамнозы (6-дезоксиманнозы) дает пропан-1,2-диол, который дегидратируется до пропаналя, катализируемый ферментом глицильного радикала пропан-1,2. -диолдегидратаза (Левин, Бальскус, 2018). Третья пара кофермента B ₁₂ и глицилрадикальных ферментов, катализирующих ту же реакцию, относятся к классам II и III рибонуклеотидредуктазы (Greene et al., 2020).Образование консервативного тиильного радикала в этом ферменте осуществляется в классе II 5′-дезоксиаденозильным радикалом из кофермента B ₁₂ и в классе III глицильным радикалом. Отщепление 3′-водорода рибонуклеотида тиильным радикалом и депротонирование 3′-гидроксильной группы дает нуклеофильный кетил (анион-радикал), который удаляет соседнюю 2′-гидроксильную группу (Buckel, 2019). Восстановление образующегося эноксирадикала различается в зависимости от класса. В классе II восстановителями являются два остатка цистеина, которые образуют дисульфид, тогда как в классе III для этой цели используется формиат.

При удалении аммиака из этаноламина или триметиламина из холина углеродно-азотные связи разрываются. Интересно, что для дезаминирования этаноламина известен только фермент, зависимый от кофермента B ₁₂ (Shibata et al., 2010), тогда как отщепление триметиламина из холина катализируется исключительно ферментом радикалом глицила (Craciun et al., 2014). ). Возможно, разные механизмы выведения, но не чувствительность к кислороду, ответственны за тип применяемого радикального фермента.Теоретически (Buckel, 1996; Feliks, Ullmann, 2012; Kovacevic et al., 2018) было предложено и экспериментально продемонстрировано (Levin, Balskus, 2018), что при дегидратации пропан-1,2-диола, катализируемой глицильным радикалом фермент, гидроксильная группа у C2 удаляется. Коэнзим B ₁₂ -зависимая пропан-1,2-диолдегидратаза и глицериндегидратаза, однако, сдвигают гидроксильную группу с C2 на C1, образуя пропан-1,1-диол или 3-гидроксипропан-1,1-диол, которые дегидратируются. к альдегидам.Поскольку триметиламин является более удаляемой группой, чем аммиак, химия может заставить холинлиазу использовать механизм глицильных радикалов. Триметиламин (ТМА) имеет медицинское значение, потому что в печени он окисляется до N-оксида (ТМАО), который может вызывать рак и другие заболевания (Gatarek and Kaluzna-Czaplinska, 2021).

Окисление пирувата до ацетил-КоА представляет собой сложную реакцию, для которой природа разработала дифосфат тиамина, который вызывает уменьшение карбонильной группы 2-оксокислоты для декарбоксилирования.Скорее всего, в реакции участвует скрытый радикал (Chen et al., 2018). Окислитель — NAD ⁺ или ферредоксин. У аэробов с NAD ⁺ реакция необратима, но обратима с ферредоксином в анаэробах (уравнения 10, 11). Таким образом, эта реакция является примером того, что анаэробы являются более эффективными преобразователями энергии, чем аэробы.

Пируват + -НАД ++ CoASH → Ацетил-SCoA + NADH + CO; 2ΔG ° = ′ — 32 кДж / моль (10)

Пируват + -2Fd + CoASH = Ацетил-SCoA + 2Fd + -CO2 + H; + ΔG ° = ′ — 13 кДж / моль (11)

В строгих анаэробных условиях пируватдегидрогеназа E.coli (уравнение 10) заменяется ферментом глицильного радикала, пируватформиатлиазой (PFL), которая катализирует обратимое расщепление пирувата до ацетил-КоА и формиата (уравнение 12). Фермент также присутствует в других энтеробактериях и некоторых клостридиях.

Пируват + -CoASH = Ацетил-SCoA + формиат; -ΔG ° = ′ — 19 кДж / моль (12)

При разложении таурина (2-аминоэтилсульфоната) в аэробах и факультативных анаэробах образуется сульфоацетальдегид путем переноса аминогруппы в пируват. Альдегид превращается TDP-зависимой сульфоацетальдегидацетилтрансферазой Xsc в ацетилфосфат и сульфит (Ruff et al., 2003). В строгих анаэробных условиях в кишечнике Bacillus Bilophila wadsworthia обходит Xcs с помощью альдегидредуктазы и фермента радикального глицила изетионатлиаза. Этот фермент катализирует радикальное диолдегидратазное удаление изетионата (2-сульфоэтанола) с образованием ацетальдегида и сульфита, которые восстанавливаются до H ₂ S (Peck et al., 2019). AdhE катализирует окисление ацетальдегида до ацетил-КоА, который наряду с ацетилфосфатом дает АТФ посредством SLP.Гены iseG и iseH , кодирующие изетионатлиазу и ее активирующий фермент, также были обнаружены у нескольких хорошо известных сульфатредуцирующих организмов (Dawson et al., 2021). Гены из Desulfovibrio vulgaris str. Hildenborough были экспрессированы в E. coli и продуцированные белки, охарактеризованные как активная изетионатлиаза (Xing et al., 2019; Wei and Zhang, 2021).

В этом обзоре стало очевидно, что радикальные реакции играют важную роль в метаболизме анаэробов и, скорее всего, уже в химии пребиотиков (Dragicevic et al., 2015). В таблице 2 приведены пары устойчивых к кислороду и непереносимых ферментов, которые катализируют радикальные реакции, приводящие к одному и тому же продукту, или являются ключевыми ферментами альтернативных путей. В то время как непереносимые кислородом 2-гидроксиацил-КоА дегидратазы и ферменты глицильных радикалов имеют простые кофакторы, устойчивый к кислороду кофермент B ₁₂ и TDP-зависимые ферменты используют наиболее сложные кофакторы, известные в биохимии (Jurgenson et al., 2009; Moore и Уоррен, 2012). По-видимому, непереносимые кислородом радикальные ферменты возникли первыми и преобладали в первозданной атмосфере до тех пор, пока концентрация кислорода не повысилась, что вынудило природу разработать устойчивые к кислороду и гораздо более сложные кофакторы кофермента B _{, 12,} и TDP.Не переносящие кислород радикальные ферменты выживают только в строго анаэробных местах, таких как кишечник человека и морские отложения. Вероятно, эти зависящие от кофермента B ₁₂ и TDP ферментации не присутствовали при возникновении жизни, но возникли непосредственно перед или во время события Великого окисления 2,1 миллиарда лет назад (Anbar et al., 2007).

Бутират обеспечивает анаэробиоз кишечника

Многие облигатные анаэробные бактерии в кишечнике человека продуцируют бутират. Наиболее распространенным путем является конденсация двух ацетил-КоА до ацетоацетил-КоА с последующим первым восстановлением до ( S ) -3-гидроксибутирил-КоА, дегидратацией до кротонил-КоА и вторым восстановлением до бутирил-КоА, как показано при ферментации глутамата через 3-метиласпартат.Первыми восстановителями являются НАДН или НАДФН при низких концентрациях ацетил-КоА, обнаруженный в Clostridium kluyveri . Более сильный восстановитель НАДФН помогает сместить неблагоприятное равновесие конденсации ацетил-КоА с ацетоацетил-КоА в сторону ( S ) -3-гидроксибутирил-КоА (рис. 5). Второе восстановление под действием НАДН связано с восстановлением ферредоксина посредством бифуркации электронов (Buckel and Thauer, 2013). Бутират высвобождается либо CoA-трансферазой с ацетатом, либо SLP через бутирилфосфат (Louis and Flint, 2017).Этот путь используется большинством организмов, ферментирующих углеводы, а также бактериями, относящимися к Roseburia Кишечник , Faecalibacterium prausnitzii и Eubacterium hallii (все принадлежат Firmicutes). Они относятся к числу наиболее широко известных бактерий, продуцирующих бутират, в фекалиях человека, составляя около 8% от общей флоры (Hold et al., 2003). Большинство бактерий в кишечнике человека принадлежат к Bacteroidetes (Gevers et al., 2012; Huttenhower and Gevers, 2012), которые производят ацетат и сукцинат, а не бутират.Как упоминалось выше, A. fermentans , M. elsdenii и C. difficile также используют бифуркацию электронов для синтеза бутирата.

Насколько известно автору, бифуркация электронов с кротонил-КоА, по-видимому, является единственным путем бутирата у анаэробов. Вероятно, ни один анаэроб не захочет отказаться от большого количества энергии, выделяющейся во время синтеза бутирата, выбрав другой путь. Однако некоторые аэробы, ассимилирующие ацетат, восстанавливают кротонил-КоА с помощью НАДН непосредственно до бутирил-КоА, не используя Etf.Фактически фермент действует как кротонил-КоА-карбоксилаза, давая этилмалонил-КоА. Только при низких концентрациях CO ₂ продукт представляет собой бутирил-КоА (Erb et al., 2007).

Ферментация аминокислот, приводящая к образованию бутирата, разлагается до ацетил-КоА или непосредственно до кротонил-КоА, как показывает ферментация глутамата через 2-гидроксиглутарат. Clostridium propionicum окисляет треонин и метионин до ( R ) -2-гидроксибутирата, который превращается в кротонил-КоА по механизму, аналогичному показанному для ( R ) -2-гидроксиглутарата (Barker and Wiken, 1948).Сложная анаэробная деградация лизина в Clostridium subterminale SB4 (Barker, 1981) и Fusobacterium nucleatum (Barker et al., 1982) включает радикальный SAM-зависимый 2,3-сдвиг и кофермент B ₁₂ -зависимый 6,5-сдвиг аминогрупп в 3,5-диаминогексаноат (Ruzicka et al., 2000). Последний дезаминируется до 3-оксо-5-аминогексаноата и расщепляется ацетил-КоА до ацетоацетата и 3-аминобутирил-КоА с последующим дезаминированием до кротонил-КоА (Jeng and Barker, 1974) и восстановлением до бутирил-КоА, который образует бутират и ацетоацетил-КоА с ацетоацетатом.Гистидин разлагается до бутирата через глутамат либо C. tetanomorphum через 3-метиласпартатный путь, либо C. symbiosum через 2-гидроксиглутаратный путь (Barker, 1981). При ферментации типа Stickland пролин восстанавливается до 5-аминовалерата с помощью Clostridium sporogenes (Stickland, 1935), который дезаминируется до 5-гидроксивалерата и затем превращается через гомокротонил-КоА в валерат (гомобутират) Clostridium viride (Eikmanns). и Buckel, 1991; Buckel et al., 1994).

В кишечнике человека бутират является предпочтительным питательным веществом для клеток слизистой оболочки, которые образуют внутреннюю стенку толстой кишки, также называемых клетками эпителия толстой кишки. Бутират активирует ядерный рецептор-γ, активируемый пролифератором пероксисом (PPAR-γ), фактор транскрипции, который, в свою очередь, стимулирует β-окисление митохондрий. Очень активное β-окисление бутирата подпитывается кислородом из крови и потребляет весь оставшийся кислород внутри кишечника, в результате чего образуется бескислородная среда, в которой оптимально развиваются анаэробы.PPAR-γ также подавляет экспрессию гена NO2 , который кодирует фермент, катализирующий окисление аргинина кислородом до оксида азота (NO). Далее NO окисляется до нитрата, акцептора электронов для потенциально патогенных энтеробактерий. Например, E. coli , наиболее известная бактерия кишечника человека, хорошо адаптирована к строгой анаэробной среде, что продемонстрировано ее глицилрадикальными ферментами класса III рибонуклеотидредуктазой и пируват: формиатлиазой (PFL, eq.11). Однако в присутствии кислорода или нитрата факультативный анаэроб образует пируватдегидрогеназу (уравнение 10) и очень быстро размножается, примерно с 1% анаэробного микробиома до основного обитателя кишечника. В случае, если быстро распространяющийся штамм E. coli является патогенным, могут возникнуть тяжелые заболевания. Чтобы предотвратить такие события, бутират питает клетки эпителия толстой кишки, которые обеспечивают бескислородную среду для микробиома в толстой кишке и защищают хозяина от вредных бактерий (Cani, 2017).Для постоянного производства бутирата микробиом должен быть хорошо насыщен углеводами и аминокислотами. Однако глюкоза, лактоза, крахмал, гликоген и большинство белков перевариваются и резорбируются уже в тонком кишечнике, и микробиому в кишечнике ничего не остается. Следовательно, рацион человека должен содержать неперевариваемые углеводы и белковые волокна для микробиома, который способен гидролизовать почти все гликозидные и пептидные связи. Следовательно, клетчатка в рационе человека необходима для здоровья кишечника.Микробиологи Эрика и Джастин Зонненбург напоминают своим детям, что нужно есть достаточно клетчатки, говоря: «Накормите своих клопов!» (Зонненбург и Зонненбург, 2015).

Авторские взносы

Автор подтверждает, что является единственным соавтором этой работы, и одобрил ее к публикации.

Конфликт интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все утверждения, выраженные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно отражают претензии их дочерних организаций или издателей, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или заявление, которое может быть сделано его производителем, не подлежат гарантии или одобрению со стороны издателя.

Благодарности

Автор благодарит Тобиаса Эрба, Институт земной микробиологии им. Макса Планка, Марбург, Германия, за щедрую поддержку, Бернарда Т.Голдингу, Университет Ньюкасл-апон-Тайн, Соединенное Королевство, и Рудольфу К. Тауеру, Институт земной микробиологии Макса Планка, за полезные обсуждения.

Сокращения

FAD ^{• —} , семихинон анионный FAD; ФАД ^— , ФАД гидрохинон; Fd, ферредоксин; Fd ^— восстановленный ферредоксин.

Список литературы

Анбар А. Д., Дуан Ю., Лайонс Т. В., Арнольд Г. Л., Кендалл Б., Кризер Р. А. и др. (2007). Запах кислорода перед великим окислительным событием? Наука 317, 1903–1906.DOI: 10.1126 / science.1140325

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баркер, Х. А., Смит, Р. Д., Уилсон, Р. М., и Вайсбах, Х. (1959). Очистка и свойства бета-метиласпартазы. J. Biol. Chem. 234, 320–328. DOI: 10.1016 / s0021-9258 (18) 70297-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баркер, Х.А. и Викен, Т. (1948). Происхождение масляной кислоты при ферментации треонина с помощью Clostridium propionicum . Arch. Biochem. 17, 149–151.

Google Scholar

Бергдолл Л., Тен Бринк Ф., Ничке В., Пико Д. и Байманн Ф. (2016). От низко- к высокопотенциальным биоэнергетическим цепям: термодинамические ограничения функции Q-цикла. Biochim. Биофиз. Acta 1857, 1569–1579. DOI: 10.1016 / j.bbabio.2016.06.006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Блэр, А. Х., и Баркер, Х. А. (1966). Анализ и очистка компонентов (+) — цитрамалатгидролазы из Clostridium tetanomorphum . J. Biol. Chem. 241, 400–408. DOI: 10.1016 / s0021-9258 (18) 96931-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бойангиу, К. Д., Джаямани, Э., Брюгель, Д., Херрманн, Г., Ким, Дж., Форзи, Л. и др. (2005). Натрий-ионные насосы и производство водорода анаэробными бактериями, ферментирующими глутамат. J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 10, 105–119. DOI: 10.1159 / 0000

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брюггеманн, Х., Baumer, S., Fricke, W.F., Wiezer, A., Liesegang, H., Decker, I., et al. (2003). Последовательность генома Clostridium tetani , возбудителя столбняка. Proc. Natl. Акад. Sci. США 100, 1316–1321. DOI: 10.1073 / pnas.0335853100

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бакель, В. (1990). «Аминокислотная ферментация: коэнзим B _12, -зависимые и независимые пути», in The Molecular Basis of Bacterial Metabolism 41.Коллоквиум — Мосбах 1990 , ред. Г. Хауска и Р. Тауер (Гейдельберг: Springer Verlag), 21–30. DOI: 10.1007 / 978-3-642-75969-7_3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Buckel, W. (1996). Необычное обезвоживание анаэробных бактерий: рассмотрение кетилов (анион-радикалов) как реактивных промежуточных продуктов в ферментативных реакциях. FEBS Lett. 389, 20–24. DOI: 10.1016 / 0014-5793 (96) 00530-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Buckel, W. (2001a).Декарбоксилазы, переносящие ионы натрия. Biochim. Биофиз. Acta 1505, 15–27. DOI: 10.1016 / s0005-2728 (00) 00273-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Buckel, W. (2019). Ферментативные реакции с участием кетилов: от химического любопытства к общему биохимическому механизму. Биохимия 58, 5221–5233. DOI: 10.1021 / acs.biochem.9b00171

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бакель В. и Голдинг Б.(1996). Глутамат и 2-метиленглутарат мутаза: от микробных курьезов к парадигмам для кофермента B ₁₂ -зависимых ферментов. Chem. Soc. Ред. 25, 329–337. DOI: 10.1039 / cs9962500329

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Buckel, W., Janssen, P.H., Schuhmann, A., Eikmanns, U., Messner, P., Sleytr, U., et al. (1994). Clostridium viride sp. nov., строго анаэробная бактерия, использующая 5-аминовалерат в качестве субстрата для роста, ранее относившаяся к Clostridium aminovalericum . Arch. Microbiol. 162, 387–394.

Google Scholar

Бакель В. и Киз Р. (1995). Одноэлектронные окислительно-восстановительные реакции эфиров CoASH в анаэробных бактериях — механистическое предложение. Angew. Chem. 34, 1502–1506. DOI: 10.1002 / anie.199515021

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Buckel, W., and Semmler, R. (1982). Биотин-зависимый натриевый насос: глутаконил-КоА-декарбоксилаза из Acidaminococcus fermentans . FEBS Lett. 148, 35–38. DOI: 10.1016 / 0014-5793 (82) 81237-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Buckel, W., and Semmler, R. (1983). Очистка, характеристика и восстановление глутаконил-КоА декарбоксилазы, биотин-зависимого натриевого насоса из анаэробных бактерий. Eur. J. Biochem. 136, 427–434. DOI: 10.1111 / j.1432-1033.1983.tb07760.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бакель В., Тауер Р. К. (2013).Сохранение энергии за счет восстановления ферредоксина с раздвоением электронов и окисления ферредоксина с переносом протона / Na ⁺ . Biochim. Биофиз. Acta 1827, 94–113. DOI: 10.1016 / j.bbabio.2012.07.002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бакель В., Тауер Р. К. (2018a). Бифуркация электронов на основе флавинов, новый механизм взаимодействия биологической энергии. Chem. Ред. 118, 3862–3886. DOI: 10.1021 / acs.chemrev.7b00707

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Buckel, W., и Тауер, Р. К. (2018b). Бифуркация электронов на основе флавинов, ферредоксин, флаводоксин и анаэробное дыхание с протонами (Ech) или NAD ⁺ (Rnf) в качестве акцепторов электронов: исторический обзор. Фронт. Microbiol. 9: 401. DOI: 10.3389 / fmicb.2018.00401

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кардон, Б. П., и Баркер, Х. А. (1946). Две новые бактерии, ферментирующие аминокислоты, Clostridium propionicum и Diplococcus glycinophilus . J. Bacteriol. 52, 629–634. DOI: 10.1128 / jb.52.6.629-634.1946

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен П. Ю., Аман Х., Джан М., Рэгсдейл С. В. и Дреннан К. Л. (2018). Сайт связывания кофермента а обнаружен в структуре пирувата: ферредоксин оксидоредуктаза из Moorella thermoacetica . Proc. Natl. Акад. Sci. США 115, 3846–3851. DOI: 10.1073 / pnas.1722329115

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чоудхури, Н.П., Кант Дж. И Бакель В. (2015). Восстановление ферредоксина или кислорода посредством бифуркации электронов на основе флавина в Megasphaera elsdenii . FEBS J. 282, 3149–3160. DOI: 10.1111 / febs.13308

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чоудхури, Н. П., Кломанн, К., Зеуберт, А., и Бакель, В. (2016). Восстановление флаводоксина за счет бифуркации электронов и ионозависимого реокисления натрия с помощью NAD ⁺ , катализируемого ферредоксин-NAD ⁺ редуктазой (Rnf). J. Biol. Chem. 291, 11993–12002. DOI: 10.1074 / jbc.m116.726299

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чоудхури, Н. П., Мовафи, А. М., Деммер, Дж. К., Упадхья, В., Келзер, С., Джаямани, Э., и др. (2014). Исследования механизма бифуркации электронов, катализируемой переносом электронов флавопротеином (Etf) и бутирил-КоА дегидрогеназой (Bcd) Acidaminococcus fermentans . J. Biol. Chem. 289, 5145–5157. DOI: 10.1074 / jbc.m113.521013

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Craciun, S., Marks, J. A., and Balskus, E.P. (2014). Характеристика холинтриметиламинлиазы расширяет химический состав ферментов глицильных радикалов. ACS Chem. Биол. 9, 1408–1413. DOI: 10.1021 / cb500113p

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Доусон, К. Д., Ирвин, С. М., Бэкман, Л. Р. Ф., Ле, К., Ван, Дж. Х., Веннелаканти, В. и др.(2021 г.). Молекулярная основа разрыва связи C-S в ферменте изетионат-сульфит-лиазе радикального глицила. Cell Chem. Биол. 28, 1–14. DOI: 10.1016 / j.chembiol.2021.03.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Деммер, Дж. К., Хуанг, Х., Ван, С., Деммер, У., Тауэр, Р. К., и Эрмлер, У. (2015). Понимание основанной на флавине бифуркации электронов через структуру НАДН-зависимого восстановленного ферредоксина: НАДФ-оксидоредуктазы. J. Biol. Chem. 290, 21985–21995.DOI: 10.1074 / jbc.m115.656520

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Деммер, Дж. К., Пал Чоудхури, Н., Селмер, Т., Эрмлер, У. и Бакель, В. (2017). Размах семихинона в бифуркационном электрон-переносящем комплексе флавопротеин / бутирил-КоА-дегидрогеназа из Clostridium difficile . Нат. Commun. 8: 1577.

Google Scholar

Димрот П. (1980). Новая натрий-транспортная система, активируемая декарбоксилированием оксалоацетата. FEBS Lett. 122, 234–236. DOI: 10.1016 / 0014-5793 (80) 80446-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Димрот П. и Томер А. (1986). Кинетический анализ механизма реакции оксалоацетатдекарбоксилазы из Klebsiella aerogenes . Eur. J. Biochem. 156, 157–162. DOI: 10.1111 / j.1432-1033.1986.tb09561.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Димрот П. и Томер А. (1993). О механизме транслокации ионов натрия оксалоацетатдекарбоксилазой Klebsiella pneumoniae . Биохимия 32, 1734–1739. DOI: 10.1021 / bi00058a006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джорджевич С., Пейс К. П., Станкович М. Т. и Ким Дж. Дж. (1995). Трехмерная структура бутирил-КоА дегидрогеназы из Megasphaera elsdenii . Биохимия 34, 2163–2171. DOI: 10.1021 / bi00007a009

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Драгичевич И., Барич Д., Ковачевич Б., Голдинг, Б. Т., и Смит, Д. М. (2015). Неферментативное восстановление рибонуклеотидов в пребиотическом контексте. Химия 21, 6132–6143. DOI: 10.1002 / chem.201405741

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эйкманнс У. и Бакель У. (1991). Кристаллическая зеленая 5-гидроксивалерил-КоА дегидратаза из Clostridium aminovalericum . Eur. J. Biochem. 197, 661–668. DOI: 10.1111 / j.1432-1033.1991.tb15956.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эрб, Т.Дж., Берг, И. А., Брехт, В., Мюллер, М., Фукс, Г., и Альбер, Б. Э. (2007). Синтез C5-дикарбоновых кислот из C2-звеньев с участием кротонил-CoA карбоксилазы / редуктазы: путь этилмалонил-CoA. Proc. Natl. Акад. Sci. США 44, 31496–31502.

Google Scholar

Эзаки Т., Ямамото Н., Ниномия К., Судзуки С. и Ябуучи Э. (1983). Перенос Peptococcus indolicus, Peptococcus asaccharolyticus, Peptococeus prevotii и Peptococcus magnus в род Peptostreptococcus и предложение Peptostreptococcus tetardius sp.ноя Внутр. J. Syst. Бактериол. 33, 683–689. DOI: 10.1099 / 00207713-33-4-683

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Феликс М., Ульманн Г. М. (2012). Дегидратация глицерина с помощью B ₁₂ -независимого фермента может не включать миграцию гидроксильной группы: компьютерное исследование. J. Phys. Chem. B 116, 7076–7087. DOI: 10.1021 / jp301165b

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Корма, Р. Г.и Фостер М.А. (1982). Ферментация глицерина в Klebsiella pneumoniae : функции кофермента B ₁₂ -зависимых глицерин- и диолдегидратаз. J. Bacteriol. 149, 413–419. DOI: 10.1128 / jb.149.2.413-419.1982

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гатарек П., Калузна-Чаплинска Дж. (2021 г.). N-оксид триметиламина (ТМАО) в здоровье человека. EXCLI J. 20, 301–319.

Google Scholar

Грин, Б.Л., Канг, Г., Цуй, К., Беннати, М., Ночера, Д. Г., Дреннан, К. Л. и др. (2020). Рибонуклеотидредуктазы: структура, химический состав и метаболизм предполагают новые терапевтические цели. Annu. Rev. Biochem. 98, 45–75. DOI: 10.1146 / annurev-biochem-013118-111843

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hans, M., Bill, E., Cirpus, I., Pierik, A.J., Hetzel, M., Alber, D., et al. (2002). Индуцированный аденозинтрифосфатом перенос электронов в 2-гидроксиглутарил-КоА-дегидратазе из Acidaminococcus fermentans . Биохимия 41, 5873–5882. DOI: 10.1021 / bi020033m

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Херрманн, Г. (2008). Ферменты двух путей клостридиальной аминокислотной ферментации. Кандидатская диссертация. Германия: Университет Филиппа в Марбурге.

Google Scholar

Херрманн, Г., Джаямани, Э., Май, Г., и Бакель, В. (2008). Сохранение энергии через переносящий электрон флавопротеин в анаэробных бактериях. J. Bacteriol. 190, 784–791. DOI: 10.1128 / jb.01422-07

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гесс В., Гальегос Р., Джонс Дж. А., Баркера Б., Малами М. Х. и Мюллер В. (2016). Возникновение ферредоксин: активность НАД (+) оксидоредуктазы и ее ионная специфичность у некоторых грамположительных и грамотрицательных бактерий. PeerJ 4: e1515. DOI: 10.7717 / peerj.1515

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гесс, В., Шухманн, К., и Мюллер, В. (2013). Ферредоксин: NAD ⁺ оксидоредуктаза (Rnf) из ацетогена Acetobacterium woodii требует Na ⁺ и обратимо связывается с мембранным потенциалом. J. Biol. Chem. 288, 31496–31502. DOI: 10.1074 / jbc.m113.510255

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хетцель, М., Брок, М., Селмер, Т., Пиерик, А. Дж., Голдинг, Б. Т., и Бакель, В. (2003). Акрилоил-КоА редуктаза из Clostridium propionicum .ферментный комплекс пропионил-КоА-дегидрогеназы и электрон-переносящего флавопротеина. Eur. J. Biochem. 270, 902–910. DOI: 10.1046 / j.1432-1033.2003.03450.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хильперт В., Шинк Б. и Димрот П. (1984). Жизнь за счет нового механизма сохранения энергии, зависимого от декарбоксилирования, с Na ⁺ в качестве связующего иона. EMBO J. 3, 1665–1670. DOI: 10.1002 / j.1460-2075.1984.tb02030.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хофмайстер, А.Э. и Бакель В. (1992). ( R ) -лактил-КоА дегидратаза из Clostridium propionicum . Стереохимия дегидратации ( R ) -2-гидроксибутирил-КоА до кротонил-КоА. Eur. J. Biochem. 206, 547–552. DOI: 10.1111 / j.1432-1033.1992.tb16958.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хофмайстер А. Э., Грабовски Р., Линдер Д. и Бакель В. (1993). L-серин и L-треониндегидратаза из Clostridium propionicum .два фермента с разными простетическими группами. Eur. J. Biochem. 215, 341–349. DOI: 10.1111 / j.1432-1033.1993.tb18040.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Холд, Г. Л., Швирц, А., Аминов, Р. И., Блаут, М., и Флинт, Х. Дж. (2003). Олигонуклеотидные зонды, которые обнаруживают количественно значимые группы бактерий, продуцирующих бутират, в человеческих фекалиях. Заявл. Environ. Microbiol. 69, 4320–4324. DOI: 10.1128 / aem.69.7.4320-4324.2003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хорнби, Д.П. и Энгель П. С. (1984). Характеристика Peptostreptococcus asaccharolyticus глутаматдегидрогеназы, очищенной хроматографией с красителем лигандом. J. Gen. Microbiol. 130, 2385–2394. DOI: 10.1099 / 00221287-130-9-2385

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Имкамп, Ф., Бигель, Э., Джаямани, Э., Бакель, В., и Мюллер, В. (2007). Рассечение дыхательной цепи кофеата в ацетогене. Acetobacterium woodii: . Идентификация НАДН-дегидрогеназы Rnf-типа в качестве потенциального сайта связывания. J. Bacteriol. 189, 8145–8153. DOI: 10.1128 / jb.01017-07

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джаямани, Э. (2008). Уникальный способ сохранения энергии при глутаматной ферментации клостридий. Докторская диссертация. Германия: Марбургский университет Филиппа.

Google Scholar

Дженг И. и Баркер Х. А. (1974). Очистка и свойства l-3-аминобутирил-кофермента дезаминазы из ферментирующего лизин Clostridium . J. Biol. Chem. 249, 6578–6584. DOI: 10.1016 / s0021-9258 (19) 42195-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Юргенсон, К. Т., Бегли, Т. П., и Иалик, С. Э. (2009). Структурные и биохимические основы биосинтеза тиамина. Annu. Rev. Biochem. 78, 569–603. DOI: 10.1146 / annurev.biochem.78.072407.102340

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким Дж., Дарли Д. и Бакель В. (2005). 2-Гидроксиизокапроил-КоА дегидратаза и ее активатор из Clostridium difficile . FEBS J. 272, 550–561. DOI: 10.1111 / j.1742-4658.2004.04498.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Дж., Дарли, Д. Дж., Бакель, В., и Пиерик, А. Дж. (2008). Промежуточное соединение аллильного кетильного радикала в клостридиальной аминокислотной ферментации. Природа 452, 239–242. DOI: 10.1038 / nature06637

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Knappe, J., and Sawers, G. (1990). Радикально-химический путь к ацетил-КоА: анаэробно индуцированная пируватформиат-лиазная система Escherichia coli . FEMS Microbiol. Ред. 6, 383–398. DOI: 10.1111 / j.1574-6968.1990.tb04108.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ковачевич Б., Барич Д., Бабич Д., Билич Л., Ганзевацки М., Сандала Г. М. и др. (2018). Вычислительная история двух ферментов: дегидратации глицерина с или без B ₁₂ . J. Am. Chem. Soc. 140, 8487–8496. DOI: 10.1021 / jacs.8b03109

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кремп, Ф., Рот, Дж., И Мюллер, В. (2020). Nfn типа Sporomusa представляет собой новый тип электроноразветвляющей трансгидрогеназы, которая связывает окислительно-восстановительные пулы ацетогенных бактерий. Sci. Отчет 10: 14872.

Google Scholar

Кресс Д., Брюгель Д., Шалл И., Линдер Д., Бакель В. и Эссен Л. О. (2009). Асимметричная модель Na ⁺ -транслоцирующих глутаконил-КоА декарбоксилаз. J. Biol. Chem. 284, 28401–28409. DOI: 10.1074 / jbc.m109.037762

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лаубингер, В.и Димрот П. (1988). Характеристика АТФ-синтазы Propionigenium modestum как первичного натриевого насоса. Биохимия 27, 7531–7537. DOI: 10.1021 / bi00419a053

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Leutbecher, U., Böcher, R., Linder, D., and Buckel, W. (1992). Глутаматмутаза из Clostridium cochlearium . очистка, содержание кобамида и стереоспецифические ингибиторы. Eur. J. Biochem. 205, 759–765.DOI: 10.1111 / j.1432-1033.1992.tb16840.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Левин Б. Дж., Бальскус Э. П. (2018). Характеристика 1,2-пропандиолдегидратаз выявляет различные механизмы для B ₁₂ -зависимых и глицилрадикальных ферментов. Биохимия 57, 3222–3226. DOI: 10.1021 / acs.biochem.8b00164

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Льюис Д. и Элсден С. Р. (1955). Ферментация L-треонина, L-серина, L-цистеина и акриловой кислоты грамотрицательным кокком. Biochem. J. 60, 683–692. DOI: 10.1042 / bj0600683

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли Ф., Хиндербергер Дж., Зеедорф Х., Чжан Дж., Бакель В. и Тауер Р. К. (2008). Связанное восстановление ферредоксина и кротонил-кофермента A (CoA) с помощью NADH, катализируемое комплексом бутирил-CoA дегидрогеназа / Etf из Clostridium kluyveri . J. Bacteriol. 190, 843–850. DOI: 10.1128 / jb.01417-07

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Locher, К.П., Ханс, М., Йе, А. П., Шмид, Б., Бакель, В., и Рис, Д. К. (2001). Кристаллическая структура Acidaminococcus fermentans 2-гидроксиглутарил-КоА-дегидратаза, компонент A. J. Mol. Биол. 307, 297–308. DOI: 10.1006 / jmbi.2000.4496

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Любнер, К. Э., Дженнингс, Д. П., Малдер, Д. В., Шут, Г. Дж., Задворный, О. А., Хобен, Дж. П. и др. (2017). Механистические взгляды на сохранение энергии с помощью бифуркации электронов на основе флавинов. Нат. Chem. Биол. 13, 655–659. DOI: 10.1038 / nchembio.2348

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Marchandin, H., Teyssier, C., Campos, J., Jean-Pierre, H., Roger, F., Gay, B., et al. (2010). Negativicoccus succinicivorans gen. nov., sp. nov., выделенного из клинических образцов человека, исправлено описание семейства Veillonellaceae и описание Negativicutes classis nov., Selenomonadales ord.ноя и сем. ноя в бактериальном типе Firmicutes. Внутр. J. Syst. Evol. Microbiol. 60, 1271–1279. DOI: 10.1099 / ijs.0.013102-0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мозер, К. К., Кеске, Дж. М., Варнке, К., Фарид, Р. С., и Даттон, П. Л. (1992). Природа биологического переноса электрона. Природа 355, 796–802. DOI: 10.1038 / 355796a0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ничке, В.и Рассел М. Дж. (2012). Редокс-бифуркации: механизмы и важность для жизни сейчас и в ее происхождении: широко распространенные способы преобразования энергии в биологии. Bioessays 34, 106–109. DOI: 10.1002 / bies.201100134

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

О’Брайен, Дж. Р., Рейно, К., Крук, К., Гирбал, Л., Сукай, П., и Ланзилотта, В. Н. (2004). Понимание механизма B ₁₂ -независимой глицериндегидратазы из Clostridium butyricum : предварительная биохимическая и структурная характеристика. Биохимия 43, 4635–4645. DOI: 10.1021 / bi035930k

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Отто Р., Зонненберг А. С. М., Велдкамп Х. и Конингс В. Н. (1980). Генерация электрохимического протонного градиента в Streptococcus cremoris за счет оттока лактата. Proc. Natl. Акад. Sci. США 77, 5502–5506. DOI: 10.1073 / pnas.77.9.5502

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Партхасарати, А., Бакель В. и Смит Д. М. (2010). О термодинамическом равновесии между ( R ) -2-гидроксиацил-КоА и 2-еноил-КоА. FEBS J. 277, 1738–1746. DOI: 10.1111 / j.1742-4658.2010.07597.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пек, С. К., Денгер, К., Буррихтер, А., Ирвин, С. М., Бальскус, Э. П., и Шлехек, Д. (2019). Фермент на основе глицильного радикала обеспечивает производство сероводорода кишечной бактерией человека Bilophila wadsworthia . Proc. Natl. Акад. Sci U.S.A. 116, 3171–3176. DOI: 10.1073 / pnas.1815661116

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Pfenninger-Li, X. D., and Dimroth, P. (1992). Образование НАДН посредством Na ⁺ -связанного обратного переноса электронов в Klebsiella pneumoniae . Мол. Microbiol. 6, 1943–1948. DOI: 10.1111 / j.1365-2958.1992.tb01367.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Робертс, Д.Л., Фрерман Ф. Э. и Ким Дж. Дж. (1996). Трехмерная структура флавопротеина электронного переноса человека с разрешением 2,1 Å. Proc. Natl. Акад. Sci . США 93, 14355–14360. DOI: 10.1073 / pnas.93.25.14355

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рафф Дж., Денгер К. и Кук А. М. (2003). Сульфоацетальдегид ацетилтрансфераза дает ацетилфосфат: очистка от Alcaligenes defragrans и кластеров генов при деградации таурина. Biochem. J. 369, 275–285. DOI: 10.1042 / bj20021455

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ружичка Ф. Дж., Лидер К. В. и Фрей П. А. (2000). Лизин-2,3-аминомутаза из Clostridium subterminale SB4: масс-спектральная характеристика пептидов, обработанных цианогенбромидом, и клонирование, секвенирование и экспрессия гена kamA в Escherichia coli . J. Bacteriol. 182, 469–476. DOI: 10.1128 / jb.182.2.469-476.2000

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шинк, Б. (1982). Propionigenium modestum gen. ноя sp. ноя новая строго анаэробная, неспортивная бактерия, растущая на сукцинате. Arch. Microbiol. 133, 209–216. DOI: 10.1007 / bf00415003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schmehl, M., Jahn, A., Meyer zu Vilsendorf, A., Hennecke, S., Masepohl, B., Schuppler, M., et al. (1993). Идентификация нового класса генов азотфиксации в Rhodobacter capsulatus : предполагаемый мембранный комплекс, участвующий в транспорте электронов к нитрогеназе. Мол. Genet Genet. 241, 602–615. DOI: 10.1007 / bf00279903

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schwarz, E., Oesterhelt, D., Reinke, H., Beyreuther, K., and Dimroth, P. (1988). Оксалацетатдекарбоксилаза, переносящая ионы натрия из Klebsiella pneumoniae . последовательность биотин-содержащей альфа-субъединицы и взаимосвязь с другими биотин-содержащими ферментами. J. Biol. Chem. 263, 9640–9645. DOI: 10.1016 / s0021-9258 (19) 81564-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Швайгер, Г.и Бакель В. (1984). Об дегидратации ( R ) -лактата при ферментации аланина до пропионата под действием Clostridium propionicum . FEBS Lett. 171, 79–84. DOI: 10.1016 / 0014-5793 (84) 80463-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зеедорф Х., Фрике У. Ф., Вейт Б., Брюггеманн Х., Лизеганг Х., Стритматтер А. и др. (2008). Геном Clostridium kluyveri , строгого анаэроба с уникальными метаболическими особенностями. Proc.Natl. Акад. Sci. США 105, 2128–2133. DOI: 10.1073 / pnas.07110

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шибата Н., Тамагаки Х., Хиеда Н., Акита К., Комори Х., Шомура Ю. и др. (2010). Кристаллические структуры этаноламин-аммиак-лиазы в комплексе с коферментом B ₁₂ аналогов и субстратов. J. Biol. Chem. 285, 26484–26493. DOI: 10.1074 / jbc.m110.125112

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шислер, К.А., и Бродерик, Дж. Б. (2014). Ферменты, активирующие глицильные радикалы: структура, механизм и субстратные взаимодействия. Arch. Biochem. Биофиз. 546, 64–71. DOI: 10.1016 / j.abb.2014.01.020

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зонненбург, Дж., И Зонненбург, Э. (2015). Хорошее чутье. Лондон: Bantam Press.

Google Scholar

Стеубер, Дж., Халанг, П., Ворбургер, Т., Штеффен, В., Воль, Г., и Фриц, Г. (2014a).Центральная роль Na (+) — транслокации NADH: хинон оксидоредуктазы (Na (+) — NQR) в биоэнергетике натрия Vibrio cholerae . Biol. Chem. 295, 1389–1399. DOI: 10.1515 / hsz-2014-0204

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Штеубер, Дж., Воль, Г., Касут, М. С., Ворбургер, Т., Дидерикс, К., и Фриц, Г. (2014b). Структура V. cholerae, Na ⁺ , накачивающего НАДН: хиноноксидоредуктазу. Nature 516, 62–67.DOI: 10.1038 / nature14003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стикленд, Л. Х. (1935). Исследования метаболизма строгих анаэробов (род Clostridium ): снижение пролина на Cl. sporogenes . Biochem. J. 29, 288–290. DOI: 10.1042 / bj02

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сухаритакул, Дж., Бакель, В., и Чайен, П. (2021a). Быстрая кинетика обнаруживает удивительную химию флавинов в флавопротеине с разветвленным переносом электронов из Acidaminococcus fermentans . J. Biol. Chem. 296: 100124. DOI: 10.1074 / jbc.RA120.016017

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Sucharitakul, J., Buttranon, S., Wongnate, T., Chowdhury, N.P, Prongjit, M., Buckel, W., et al. (2021b). Модуляции потенциалов восстановления комплексов бифуркации электронов на основе флавинов и стабильности семихинонов являются ключевыми для управления направленным потоком электронов. FEBS J. 288, 1008–1026. DOI: 10.1111 / febs.15343

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тауер, Р.К., Юнгерманн, К., Рупрехт, Э., и Деккер, К. (1969). Образование водорода из НАДН в бесклеточных экстрактах Clostridium kluyveri . потребность в ацетилкоферменте и зависимость от ферредоксина. FEBS Lett. 4, 108–112. DOI: 10.1016 / 0014-5793 (69) 80208-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Vigil, W. Jr., Niks, D., Franz-Badur, S., Chowdhury, N., Buckel, W., and Hille, R. (2021). Спектральная деконволюция редокс-видов в кротонил-КоА-зависимом НАДН: ферредоксин оксидоредуктаза из Megasphaera elsdenii .флавин-зависимый бифуркационный фермент. Arch. Biochem. Биофиз. 701: 108793. DOI: 10.1016 / j.abb.2021.108793

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Витт, С., Принц, С., Хелвиг, Н., Моргнер, Н., Эрмлер, У. и Бакель, В. (2020). Молекулярная и структурная характеристика с низким разрешением Na ⁺ -транслокационной глутаконил-CoA декарбоксилазы из Clostridium symbiosum . Фронт. Microbiol. 11: 48011. DOI: 10.3389 / fmicb.2020.00480

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Vogt, M. S., Schühle, K., Koelzer, S., Peschke, P., Chowdhury, N. P., Kleinsorge, D., et al. (2019). Структурная и функциональная характеристика флавопротеина переноса электронов, участвующего в деградации толуола у строго анаэробных бактерий. J. Bacteriol. 201, e00326. DOI: 10.1128 / JB.00326-19

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

фон Баллмос, К., Виденманн А. и Димрот П. (2009). Основы синтеза АТФ с помощью F ₁ F ₀ АТФ-синтаз. Annu. Rev. Biochem. 78, 649–672. DOI: 10.1146 / annurev.biochem.78.081307.104803

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван С., Хуанг Х., Молл Дж. И Тауер Р. К. (2010). Восстановление NADP ⁺ с восстановленным ферредоксином и восстановление NADP ⁺ с помощью NADH связаны через электрон-бифурцирующий ферментный комплекс в Clostridium kluyveri . J. Bacteriol. 192, 5115–5123. DOI: 10.1128 / jb.00612-10

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xing, M., Wei, Y., Zhou, Y., Zhang, J., Lin, L., Hu, Y., et al. (2019). Радикально-опосредованное расщепление связи C-S при деградации сульфоната C2 анаэробными бактериями. Нат. Commun. 10: 1609.

Google Scholar

Xu, X., Shi, H., Gong, X., Chen, P., Gao, Y., Zhang, X., et al. (2020). Структурные сведения о транспорте натрия с помощью натриевого насоса оксалоацетат-декарбоксилазы. Элиф 9: e53853. DOI: 10.7554 / eLife.53853

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Yu, X., Bresser, J., Schall, I., Djurdjevic, I., Buckel, W., Wang, X., et al. (2012). Разработка удовлетворительного общего непрерывного анализа аминотрансфераз путем сочетания с ( R ) -2-гидроксиглутаратдегидрогеназой. Анал. Biochem. 432, 127–131. DOI: 10.1016 / j.ab.2012.09.009

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Загалак, Б., Фрей, П. А., Карабацос, Г. Л., и Абелес, Р. Х. (1966). Стереохимия превращения 1,2-пропандиолов D и L в пропионовый альдегид. J. Biol. Chem. 241, 3028–3035. DOI: 10.1016 / s0021-9258 (18) 96492-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Перенос электронов в синтрофных сообществах анаэробных бактерий и архей

Рост анаэробных бактерий в присутствии кателицидина LL-37 и отдельных церагенинов, доставленных в виде груза магнитных наночастиц | BMC Microbiology

Руководство по анаэробным бактериям и неприятному запаху изо рта изо рта

Анаэробные бактерии не нуждаются в кислороде для выживания. Некоторые типы «анаэробов» могут даже отрицательно реагировать при воздействии кислорода и умирать при воздействии молекул кислорода. В результате антикислородной природы этих бактерий они обычно встречаются только в тех областях тела, где ткани плохо аэрируются, таких как кишечник, нос, горло и рот.Большинство людей не осознают, что анаэробные бактерии являются основной причиной неприятного запаха изо рта из-за их способности потреблять огромное количество белков и выделять летучие соединения серы с неприятным запахом в результате быстрого переваривания белков во рту.

В частности, анаэробные бактерии полости рта состоят из облигатных и аэротолерантных микроорганизмов. Облигатные анаэробы не могут выжить в насыщенной кислородом среде, а аэротолерантные организмы переносят кислород, но не растут в присутствии кислорода.В то время как оба используют ферментацию как способ превращения пищи в энергию, только облигатные анаэробы используют анаэробное дыхание для удаления пахучих отходов после употребления в пищу богатого белком мусора изо рта.

Грамотрицательные анаэробные бактерии

Большинство «грамотрицательных» бактерий являются патогенами, вызывающими заболевания из-за клеточных стенок, содержащих эндотоксины LPS (липополисахариды). Некоторые из этих болезней включают сальмонеллу, болезнь легионеров, холеру и тяжелый дурной запах изо рта.В частности, грамотрицательных бактерий, вызывающих неприятный запах изо рта:

1. Treponema denticola
2. Porphyromonas gingivalis
3. Tannerella forsythensis
4. Porphyromonas endodontalis
5. Prevotella intermedia
6. Эубактерии

Все эти бактерии жадно потребляют мусор изо рта, содержащий белки, которые после переваривания производят летучие соединения серы.Эти соединений включают:

• Метилмеркаптан
• Диметилсульфид
• Сероводород
• Кадаверин
• Скатоле
• Изовалериановая кислота
• Путресцин

В сочетании запахи, создаваемые этими газами, напоминают запахи тухлых яиц, разлагающейся плоти, капусты и прогорклых молочных продуктов.Живя застойным и безмятежным существованием на поверхности трещин языка, в задней части глотки и между зубами, анаэробные бактерии избегают кислорода и имеют непрерывный доступ к частицам пищи, слизи и мертвым тканям, отшелушивающимся с внутренней стороны щек и десен. Кроме того, причина, по которой белки заставляют бактерии выделять сернистые соединения с неприятным запахом, заключается в том, что белки в основном состоят из двух аминокислот, богатых серой, — метионина и цистеина. Брокколи и яйца содержат большое количество метионина и цистеина, что помогает объяснить, почему эти два продукта часто вызывают неприятный запах изо рта .

Анаэробные бактерии и сухость во рту

Наряду с заполнением рта анаэробными бактериями, синдром сухости во рту часто усугубляет неприятный запах изо рта , создавая еще более безвоздушную среду, способствующую размножению бактерий. Причин сухости во рту много, но наиболее частыми причинами сухости во рту являются:

• Хронический синусит / постназальный капельный
• Аллергия / заложенность носа
• Лекарства (антидепрессанты, гипертоники, таблетки / жидкости от простуды и аллергии)
• Алкоголь
• Курение
• Кофе / чай
• Дисфункциональные слюнные железы
• Аутоиммунные заболевания, такие как волчанка и синдром Шегрена

Каждый раз, когда человеку приходится дышать через рот из-за воспаленных и раздутых носовых пазух, поток слюны во рту уменьшается. Слюна не только содержит молекулы кислорода, но и является мощным антибактериальным агентом и помогает удалять частицы пищи из крошечных промежутков между зубами и линией десен.

Синусит и постназальный капель также способствуют возникновению галитоза , потому что слизь, которая накапливается в задней части глотки и на передней части языка, полна белков, которые анаэробные бактерии любят расщеплять и поглощать. Благодаря пищеварительным процессам миллионов бактерий, питающихся этой слизью, количество сернистых, пахнущих соединений, подавляющих рот, огромно.

Галитоз и уровень pH

Когда уровень pH во рту ниже 7, рост грамотрицательных бактерий увеличивается из-за высокой кислотности слюны. Люди с кислотным рефлюксом часто испытывают хронический неприятный запах изо рта, а также те, кто придерживается экстремальных диет с сильно ограниченным потреблением калорий. Когда в печени не хватает гликогена из пищи для обеспечения организма энергией, возникает состояние, известное как кетоз. Кетоз производит кетоны, которые проникают в кровоток и понижают уровень pH в крови и слюне.Это позволяет анаэробным бактериям процветать в таких сухих, кислых и бескислородных условиях.

Анаэробные бактерии и стоматологические проблемы

Грамотрицательные бактерии обнаруживаются почти при всех стоматологических инфекциях , включая абсцессы, гингивит, периодонтит, воспаление пульпы зуба (пульпит) и зубной налет. Сухость во рту, которую не лечить, усугубляет развитие заболеваний зубов и десен, которые потенциально могут привести к более серьезным заболеваниям, таким как потеря зубов, сепсис и инфекции нижней челюсти или шеи.Даже при соблюдении правил гигиены полости рта могут возникнуть серьезные проблемы со здоровьем из-за отсутствия оптимального потока слюны и кислорода.

Язык и анаэробные бактерии

Хотя это не так легко увидеть, поверхность языка состоит из крошечных трещин и вкусовых рецепторов, которые служат отличным укрытием для бактерий, в которых они могут питаться белками и быстро размножаться, не беспокоясь о них. Большинство анаэробных бактерий, вызывающих неприятный запах изо рта, скапливаются на задней части языка, где условия остаются нечистыми и сухими. Это непрерывное развитие бактерий образует покрытие, питаемое надежным источником пищевых частиц, слизи и отшелушенных эпителиальных клеток. Этот серовато-белый пушок, который обычно наблюдается на языке по утрам и при сухости во рту, на самом деле представляет собой бактериальный «коврик», выделяющий неприятный запах изо рта при переваривании белков.

Что можно сделать для устранения оральных анаэробных бактерий и дурного запаха изо рта?

Лечение корня неприятного запаха изо рта, то есть удаление анаэробных бактерий изо рта, включает увеличение слюноотделения, повышение оксигенации полости рта, а также соблюдение правильных правил гигиены полости рта, таких как чистка зубов не менее двух раз в день, использование безалкогольной жидкости для полоскания рта и зубной нити.Поскольку большинство безрецептурных жидкостей для полоскания рта содержат спирт, а коммерческие зубные пасты содержат абразивные ингредиенты, такие как лаурилсульфат натрия, который ухудшает неприятный запах изо рта, люди, страдающие хроническим неприятным запахом изо рта, почувствуют облегчение только при использовании безалкогольных, насыщающих кислородом средств гигиены полости рта.

Потребители могут найти эти продукты, обратившись к линии знаменитых жидкостей для полоскания рта TheraBreath, спреев, зубных паст и даже профессиональных скребков для языка доктора Гарольда Каца. Средства для гигиены полости рта TheraBreath содержат уникальный запатентованный ингредиент, созданный исключительно доктором.Кац назвал OXYD-8. Щелкните здесь, чтобы просмотреть полную линейку продуктов TheraBreath от сухости во рту.

OXYD-8 — это мощное соединение, которое убивает анаэробные бактерии, обеспечивая обильное количество кислорода во рту в дополнение к увеличению потока слюны. Поскольку бактерии не могут жить во рту, очищенном с помощью продуктов TheraBreath, серные газы больше не могут образовываться, что навсегда избавляет от сухости во рту и неприятного запаха изо рта.

Использование анаэробных бактерий для биоразложения пластмасс

Исследование, опубликованное Обществом прикладной микробиологии в их журнале Environmental Microbiology Reports, показало, как анаэробные и аэробные микроорганизмы могут разлагать основные составляющие пластика.Эта форма стратегии обращения с пластиковыми отходами, основанная на использовании микроорганизмов, представляет собой новый, устойчивый способ удаления пластика из окружающей среды.

Изображение предоставлено: Катерина Кон / Shutterstock.com

Авторы мини-обзора показывают, как основные компоненты пластмасс, в том числе органические соединения фталевая кислота (PA), изофталевая кислота (IPA) и терефталевая кислота (TPA), могут подвергаться биоразложению. Более того, группа подчеркивает важность для окружающей среды анаэробного биоразложения как жизнеспособного, масштабируемого средства для этого.

Три изомера: основные компоненты пластификаторов и полимеров

Фталевая кислота — важнейший компонент пластмасс. Эти синтетические органические полимеры предлагают дешевые средства производства упаковки, и ожидается, что в течение 20 лет ежегодное производство пластмасс во всем мире удвоится до 600 миллионов тонн. Несмотря на это, они несут ответственность за проблемы окружающей среды и здоровья во всем мире.

Пластиковые отходы попадают на свалки и в океаны, где они угрожают местной дикой природе и разрушают экосистемы.Хотя вторичная переработка представляет собой один из вариантов ограничения производства нового пластика, этот материал в основном используется во вторичных продуктах, которые имеют более низкое качество свойства материала. Более того, переработка не предотвращает попадание микропластических загрязнителей в морские экосистемы.

Эти текущие проблемы мотивировали развитие органического подхода к управлению пластиковыми отходами, включая биоразложение.

Пути разложения

Анаэробное и аэробное разложение PA, IPA и TPA у микроорганизмов существенно различается.Аэробные микроорганизмы вводят гидроксильную группу через диоксигеназы. Это увеличивает вероятность последующего декарбоксилирования путем ароматизации дегидрогеназ или декарбоксилаз без кофакторов.

Анаэробные бактерии, однако, используют лигазы CoA или трансферазы CoA для активации изомеров PA; затем они декарбоксилируются декарбоксилазами с образованием бензоил-КоА. Эти декарбоксилазы относятся к семейству ферментов UbiD и характеризуются кофактором пренилированного флавинмононуклеотида (FMN).

Этот кофактор необходим для механического успеха декарбоксилирования. Основная проблема декарбоксилирования — улавливание крайне нестабильного промежуточного соединения A-CoA, которое смягчается за счет избыточного производства фталоил-CoA декарбоксилазы.

Биоразложение фталевой кислоты

PA образует строительные блоки для пластиковых полимеров. Они связаны сложноэфирными связями, которые требуют избыточной гидратации, прежде чем гидролитические ферменты смогут получить доступ к связям для расщепления. Это затруднено из-за водостойкости пластика.В сочетании с большими расходами энергии, связанными с производством и секрецией этих ферментов бактериями, распад пластика нежизнеспособен; метаболическая энергия, высвобождаемая из продуктов, не расходует энергию распада.

Ферменты и метаболиты, участвующие в анаэробной деградации ПА

Поглощение PA достигается периплазматическим связывающим белком и транспортером TRAP. Попадая в клетку, сукцинил-КоА: фталат-КоА трансфераза (SPT) превращает PA в нестабильный фталоил-КоА.Второй этап анаэробной деградации PA — это его декарбоксилирование, катализируемое фталоил-CoA декарбоксилазой (PCD). Это принадлежит семье UbiD.

Высоколабильный фталоил-КоА представляет собой проблему анаэробной деградации ПА; из-за этого предполагалось образование комплекса SPT и PCD. Однако расчетная клеточная концентрация ПКС оказалась в 250 раз выше, чем его субстрат фталоил-КоА. Это обеспечивает эффективное улавливание и декарбоксилирование фталоил-КоА.Разложение с помощью этого промежуточного продукта представляет собой плохо оптимизированный путь разложения ксенобиотиков

Эволюция путей деградации ПА

Пути разложения, обычно используемые бактериями, включают гидролиз до индивидуальных изомеров PA и спиртов. За этим следует декарбоксилирование любого из двух компонентов карбоновой кислоты. Достичь этого этапа механически сложно из-за высокоэнергетических промежуточных продуктов, образующихся в результате отрицательно заряженной группы.Таким образом, активация PA является предпочтительной.

Чтобы обойти эту проблему, в рамках существующих исследований были разработаны две аэробные и одна анаэробная стратегии для декарбоксилирования. Сюда входят:

1. Введение гидроксильных групп непосредственно в карбоксильную группу IPA и TPA с помощью диоксигеназы в аэробных условиях. При этом образуются цис-диол-диены, которые можно декарбоксилировать
2. Аэробная деградация ПА происходит через дигидроксифталатные промежуточные соединения, что увеличивает вероятность успешного декарбоксилирования из-за расположения карбоксильных групп
3. PA, IPA и TPA затем обрабатываются посредством тиоэтерификации (получение реакционноспособного тиоэфира) с последующим декарбоксилированием UbiD-подобными декарбоксилазами

Как эта активация приводит к декарбоксилированию, еще предстоит определить; в настоящее время продолжаются попытки выяснить структуру UbiD-подобных декарбоксилаз, реализуемых при деградации всех трех изомеров PA.Считается, что механизм декарбоксилаз фталоил-КоА и терефталоил-КоА должен быть аналогичным, но отдельным от декарбоксилазы софталоил-КоА.

Фталоил-КоА: крайне нестабильный промежуточный продукт

Промежуточный продукт фталоил-КоА является бедным тиоэфиром, поскольку он подвергается циклам бесполезного гидролиза. В результате разложение анаэробного фталата через фталоил-КоА является расточительным. Хотя PA известен как промежуточный продукт аэробного разложения, он не участвует в анаэробном пути.Это делает анаэробный раствор эффективным средством разложения пластмасс.

Команда надеется, что эволюция анаэробного пути приведет к образованию комплекса между сукцинил-КоА: фталат-КоА-трансферазой (SPT) и фталоил-КоА-декарбоксилазой (PCD). Это сделает возможным прямой перенос фталоил-КоА между активными центрами, устраняя лабильность промежуточного соединения. Эта стратегия наблюдалась для аналогичных высокореактивных промежуточных продуктов в других местах окружающей среды.