Метаногенез, биосинтез метана — процесс образования метана анаэробными археями, сопряжённый с получением ими энергии. Существует три типа метаногенеза: Автотрофный метаногенез. Восстановление одноуглеродных соединений с помощью молекулярного водорода или двух- и более углеродных спиртов гидрогенотрофными или метилотрофными метаногенами. Метилотрофный метаногенез. Диспропорционирование одноуглеродных соединений анаэробными метилотрофными метаногенами. Ацетокластический метаногенез. Кажущееся диспропорционирование (декарбоксилирование) ацетата. Энергия при этом запасается в форме натриевого или протонного трансмембранного потенциала и трансформируется АТФ-синтазами в химическую (связей в молекуле АТФ). По отношению к процессу метаногенеза иногда применяют термины карбонатное дыхание или метановое брожение. Так как в реакциях метаногенеза отсутствуют реакции субстратного фосфорилирования, характерные для процессов брожения, а протонный или натриевый градиент на мембране образуется за счет мембранных ферментов, не входящих в дыхательную электрон-транспортную цепь, то эти термины не совсем точны для их применения.
Метаногенез играет важную роль в природе, являясь основным источником метана в земной атмосфере. Используется человеком для получения биогаза.
Субстраты метаногенеза Реакции метаногенеза ΔG0’ [кДж/моль CH4]Y. Liu, W. B. Whitman: Metabolic, phylogenetic, and ecological diversity of the methanogenic archaea. In: Annals of the New York Academy of Sciences. Band 1125, 2008. PMID 18378594, , S. 171–189. Организмы Автотрофное образование метана CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O −135 Большинство метаногенов 4 HCOOH → CH4 + 3 CO2 + 2 H2O −130 многие гидрогенотрофные метаногены CO2 + 4 CH3(CH3)CH-OH → CH4 + 4 CH3(CH3)C=0 + 2 H2O −37 некоторые гидрогенотрофные метаногены 4 CO + 2 H2O → CH4 + 3 CO2 −196 Methanothermobacter und Methanosarcina Метилотрофный вариант (из соединений, содержащих С1-группу) 4 CH3OH → 3 CH4 + CO2 + 2 H2O −105 Methanosarcina и другие метилотрофные метаногены CH3OH + H2 → CH4 + H2O −113 Methanomicrococcus blatticola и Methanosphaera stadtmanae4(СH3)SH + 2H2O → 3CH4 + CO2 + 4H2S 2 (CH3)2S + 2 H2O → 3 CH4 + CO2 + 2 H2S −49 некоторые метилотрофные метаногены 4 CH3NH2 + 2 H2O → 3 CH4 + CO2 + 4 NH3 −75 некоторые метилотрофные метаногены 2 (CH3)2NH + 2 H2O → 3 CH4 + CO2 + 2 NH3 −73 некоторые метилотрофные метаногены 4 (CH3)3N + 6 H2O → 9 CH4 + 3 CO2 + 4 NH3 −74 некоторые метилотрофные метаногены(CH3)4NOH + H2O → 3CH4 + CO2 + NH3 4 CH3NH3Cl + 2 H2O → 3 CH4 + CO2 + 4 NH4Cl −74 некоторые метилотрофные метаногеныс N-метилированными аминами, имеющими С2-боковую цепь 4 (CH3)3N+CH2CH2OH + 6 H2O → 4 H2NCH2CH2OH + 9 CH4 + 3 CO2 + 4 H+ −63Watkins, AJ. et al. (2012): Choline and N,N-dimethylethanolamine as direct substrates for methanogens. In: Appl Environ Microbiol. 78(23); 8298–8303; PMID 23001649; ; PDF некоторые Methanosarcina 2 (CH3)2NCH2CH2OH + 2 H2O → 2 H2NCH2CH2OH + 3 CH4 + 3 CO2 −47 некоторые Methanosarcina 4 (CH3)3N+CH2COO− + 2 H2O → 4 (CH3)2NH+CH2COO− + 3 CH4 + CO2 −240Watkins, AJ. et al. (2014): Glycine betaine as a direct substrate for methanogens (Methanococcoides spp.). In: Appl Environ Microbiol. 80(1); 289–293; PMID 24162571; ; PDF . некоторые Methanosarcina Ацетокластический метаногенез CH3COOH → CH4 + CO2 −33 Methanosarcina и Methanosaeta
Биохимия процесса
В процессе метаногенеза принимают участие специфические коферменты: переносчики метильной С1-группы (метанофуран (MF), 5,6,7,8-тетрагидрометаноптерин (H4МП), и кофермент M (2-меркаптоэтансульфонат, СоM)) и переносчики электронов (F420 (5-деазафлафин) F430, кофермент B (7-меркапто-гептаноил-треонинфосфат, CoB)) и метанофеназин (MP). H4МП и метанофуран найдены у метилотрофных бактерий, H4МП, F420 и кофермент M имеют сходство с коферментами, найденными у бактерий и эукариот, F430 и кофермент B не имеют аналогов у других организмов. Аналогами H4МП, метанофурана и CoM в эубактериях и эукариотах служат тетрагидрофолат и S-аденозилметионин. Присутствие уникальных кофакторов в метаногенных археях лежит в основе одной из гипотез об их отдельной эволюции. Присутствие архебактериальных коферментов у эубактерий является доказательством недавнего горизонтального переноса генов.
Автотрофное образование метана
Наиболее хорошо изучен процесс восстановления углекислого газа до метана.
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O
Гидрогенотрофные метаногены без цитохромов
Большинство метаногенов используют в качестве восстановителя водород. Такие метаногены называются водородокисляющими или гидрогенотрофными. Облигатные гидрогенотрофы включают семейства Methanopyrales, Methanobacteriales, Methanococcales и Methanomicrobiales. Исключением среди Methanomicrobiales является Мethanosphaera stadtmanae, обитающий в пищеварительном тракте человека. В качестве субстратов метаногенеза он использует метанол и водород, поскольку не может использовать CO2Fricke, WF. et al. (2006): The genome sequence of Methanosphaera stadtmanae reveals why this human intestinal archaeon is restricted to methanol and H2 for methane formation and ATP synthesis. In: J Bacteriol. 188(2); 642–658; PMID 16385054; ..
Автотрофные метаногены, в отличие от семейства Methanosarcinales, не содержат цитохромов и не имеют функционального аналога хинонов - метанофеназина. Афтотрофные метаногены получают энергию с помощью хемиосмоса, но без помощи хинонов или цитохромов и их аналогов. Растут только на смеси H2 + CO2 или муравьиной кислоте и не могут использовать метилированные соединения или ацетат. При этом им для роста достаточно, чтобы парциальное давление H2 составляло менее 10 Па, для проведения метаногенеза. Период удвоения клеток у них составляет менее часа. Среди метаногенов без цитохромов много гипертермофильных видов.
Процесс метаногенеза начинается с активации из СО2 уникальным кофактором метанофураном, что приводит к образованию N-карбоксиметанофурана, нестабильного промежуточного соединения, которое восстанавливается до стабильного соединения N-формилметанофурана. Эта реакция требует восстановителя в виде восстановленного ферредоксина. Электроны, необходимые для этой реакции восстановления, поставляет при окислении водород. Альтернативно их может поставлять формиат при окислении формиатдегидрогеназой до СО2. Так как образование N-формилметанофурана является эндэргонической реакцией, то при этом задействуется необходимая энергия электрохимического ионного градиента мембраны. Формильная группа затем переносится на другой кофактор, тетрагидрометаноптерин, структурно подобному тетрагидрофолату других организмов. Затем формильная группа, присоединенная к тетрагидрометаноптерину, дегидратируется и поэтапно восстаноавливается до N5,N10-метенил-H4MPT, N5,N10-метилен-H4MPT и N5,N10-метил-H4MPT либо молекулярным водородом, либо при участии F420Lupa, B. et al. (2008): Formate-dependent H2 production by the mesophilic methanogen Methanococcus maripaludis. In: Applied and Environmental Microbiology. Bd. 74, Nr. 21, 2008, S. 6584–6590, PMID 18791018; PDF (freier Volltextzugriff, engl.).. Этот процесс полностью обратим и может проводится в обратном направлении. Окисленный F420 регенерируется железо-никелевой F420 -зависимой гидрогеназой (EC 1.12.98.1).
После этого, полученная метильная группа переносится на кофермент M, при помощи мембранного белка метилтетрагидрометаноптерин:кофермент М-метилтрансферазы (EC 2.1.1.86). Метилтрансфераза представляет мембранно-связанный белок. Перенос метильной группы от метил-H4МП на кофермент М представляет собой экзергоническую реакцию (ΔG0'= -29 кДж/моль)U. Deppenmeier, V. Müller: Life close to the thermodynamic limit: how methanogenic archaea conserve energy. In: Results and Problems in Cell Differentiation. Band 45, 2008. PMID 17713742, , S. 123–152.). Метаногены используют выделенную энергию для экспорта из клетки примерно двух ионов натрия. В результате образуется мембранный градиент ионов натрия, используемый для синтеза АТФ. Метил-S-CoM восстанавливается коферментом B до метана при участии метил-CoM-редуктазы с образованием метана, а также гетеродисульфида коферментов B и M. Это ключевая реакция синтеза метана. Метил-CoM-редуктаза содержит кофактор F430. Последние две реакции необратимы.
Автотрофные метаногены, в отличие от других метаногенов не имеют ни метанофеназина не мембранно-связаной гетеродисульфидредуктазыRudolf K. Thauer, Anne Kristin Kaster, Meike Goenrich, Michael Schick, Takeshi Hiromoto, Seigo Shima: Hydrogenases from methanogenic archaea, nickel, a novel cofactor, and H2 storage. In: Annual Review of Biochemistry. Bd. 79, 2010, S. 507–536, PMID 20235826, .. Для восстановления гетеродисульфида они используют цитоплазматическую гетеродисульфид-редуктазу, которая, за счет энергии реакции окисления водорода, также восстанавливает еще ферредоксин по механизму бифуркации электронов. Функционирование цитоплазматического фермента не связана с созданием протон-движущей силы. Поэтому метаногены, не содержащие цитохромов, могут использовать только натриевый градиент, созданный метилтрансферазой. Автотрофные метаногены требуют обязательного присутствия ионов натрия для роста, так как этот катион используется в механизме запасания энергии.
N5,N10-метил-H4MPT служит точкой ветвления между процессом метаногенеза и синтезом ацетил-КоА у метаногенов. В течение синтеза ацетил-КоА, метильная группа переносится гомологом метилтетрагидрометаноптерин:кофермент М-метилтрансферазы (EC 2.1.1.86), ферментом 5-метилтетрагидрофолат:корриноид/железо-серный белок -метилтрансферазой (ЕС 2.1.1.258). Эта метильная группа затем реагирует с СО-группой, формируемой анаэробной СО-дегидрогеназой (ЕС 1.2.7.4), производя ацетил-КоА. Ацетил-КоА используется для синтеза углеводов.
+Номер реакцииФерментШифр КФКатализируемая реакция1формилметанофуран:ферредоксин оксидоредуктаза1.2.7.12СО2 + 2Фдвосст. + метанофуран = формилметанофуран + Н2О + 2 Фдокисл.2формилметанофуран:тетрагидрометаноптерин формилтрансфераза2.3.1.101формилметанофуран + H4МП = формил-H4МП + метанофуран3метенил-тетрагидрометаноптерин циклогидролаза3.5.4.27формил-H4МП = метенил-H4МП + H2O4H2 зависимая метилен-тетрагидрометаноптерин дегидрогеназа1.12.98.2метенил-H4МП + H2 = H+ + метилен-H4МП5F420-зависимая метилен-тетрагидрометаноптерин редуктаза1.5.98.2метилен-H4МП + F420H2 = метил-H4МП + F4206метил-тетрагидрометаноптерин: кофермент М метилтрансфераза2.1.1.86метил-H4МП + HSCoM + Na+внутр = H4МП + метил-SСоМ + Na+внешн.7метил-кофермент М редуктаза2.8.4.1метил-SСоМ + HSСоВ = CoM-S-S-CoB + CH48цитоплазматическая H2: СоВ-СоМ гетеродисульфид, ферредоксин редуктаза (H2-зависимая)1.8.98.52H2 + CoM-S-S-CoB + 2Фдвосст. = 2H+ + HSCoM + HSCoB + 2 Фдокисл.9F420 -зависимая гидрогеназа1.12.98.1H2 + F420 = F420H2
Преобразование формиата в метан
Муравьиную кислоту или ее анион, формиат (НСОО-) могут использовать примерно половина всех метаногенов в качестве субстрата. В отличие от углекислого газа, он напрямую не переносится на метанофуран, а сначала окисляется формиатдегидрогеназой до углекислого газа. Фермент содержит молибден и железо-серные кластеры, и уже выделен, например, из Methanobacterium formicicium и Methanococcus vannielii В реакции одновременно восстанавливается F420. Затем диоксид углерода восстанавливается до метана, как это было описано выше.
Что касается ступенчатого восстановления СО2 до метана, то для этого требуются восстановители. Поэтому для использования формиата в метаногенезе требуется в общей сложности восемь электронов. Это обеспечивается окислением четырех молекул муравьиной кислоты до углекислого газа. Три молекулы выделяются, а одна восстанавливается до метана. Итоговое уравнение процесса:
Метилотрофные метаногены