Metanogeneza , biosinteza metanului este procesul de formare a metanului de către arheile anaerobe , cuplat cu producerea lor de energie. Există trei tipuri de metanogeneză:
În același timp, energia este stocată sub formă de potențial transmembranar de sodiu sau de protoni și este transformată de ATP sintaze în substanțe chimice (legături în molecula de ATP ). În legătură cu procesul de metanogeneză, uneori sunt folosiți termenii respirație carbonatică sau fermentație metanică . Deoarece nu există reacţii de fosforilare a substratului în reacţiile de metanogeneză , caracteristice proceselor de fermentaţie , iar gradientul de protoni sau de sodiu de pe membrană se formează din cauza enzimelor membranare care nu sunt incluse în lanţul de transport de electroni respiratori , aceşti termeni nu sunt în întregime exacti pentru aplicarea acestora.
Metanogeneza joacă un rol important în natură, fiind principala sursă de metan în atmosfera Pământului . Folosit de oameni pentru a produce biogaz .
Reacții de metanogeneză | ΔG 0' [kJ/mol CH 4 ] [1] | organisme |
Producția autotrofă de metan | ||
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O _ _ | −135 | Majoritatea metanogenelor |
4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O | −130 | mulți metanogene hidrogenotrofici |
CO 2 + 4 CH 3 (CH 3 )CH-OH → CH 4 + 4 CH 3 (CH 3 ) C=0 + 2 H 2 O | −37 | unii metanogene hidrogenotrofici |
4 CO + 2 H 2 O → CH 4 + 3 CO 2 | −196 | Methanothermobacter și Methanosarcina |
Varianta metilotrofică (din compuși care conțin o grupă C1) | ||
4 CH 3 OH → 3 CH 4 + CO 2 + 2 H 2 O | −105 | Methanosarcina și alți metanogeni metilotrofe |
CH3OH + H2 → CH4 + H2O _ _ | −113 | Methanomicrococcus blatticola și Methanosphaera stadtmanae |
4 (СH 3 )SH + 2H 2 O → 3CH 4 + CO 2 + 4H 2 S | ||
2 (CH 3 ) 2 S + 2 H 2 O → 3 CH 4 + CO 2 + 2 H 2 S | −49 | unii metanogeni metilotrofici |
4 CH 3 NH 2 + 2 H 2 O → 3 CH 4 + CO 2 + 4 NH 3 | −75 | unii metanogeni metilotrofici |
2 (CH 3 ) 2 NH + 2 H 2 O → 3 CH 4 + CO 2 + 2 NH 3 | −73 | unii metanogeni metilotrofici |
4 (CH 3 ) 3 N + 6 H 2 O → 9 CH 4 + 3 CO 2 + 4 NH 3 | −74 | unii metanogeni metilotrofici |
( CH3 ) 4N _OH + H2O → 3CH4 + CO2 + NH3 | ||
4 CH 3 NH 3 Cl + 2 H 2 O → 3 CH 4 + CO 2 + 4 NH 4 Cl | −74 | unii metanogeni metilotrofici |
cu amine N-metilate având o catenă laterală C2 | ||
4 (CH 3 ) 3 N + CH 2 CH 2 OH + 6 H 2 O → 4 H 2 NCH 2 CH 2 OH + 9 CH 4 + 3 CO 2 + 4 H + | −63 [2] | ceva Methanosarcina |
2 (CH 3 ) 2 NCH 2 CH 2 OH + 2 H 2 O → 2 H 2 NCH 2 CH 2 OH + 3 CH 4 + 3 CO 2 | −47 [2] | ceva Methanosarcina |
4 (CH 3 ) 3 N + CH 2 COO - + 2 H 2 O → 4 (CH 3 ) 2 NH + CH 2 COO - + 3 CH 4 + CO 2 | −240 [3] | ceva Methanosarcina |
Metanogeneza acetoclastică | ||
CH3COOH → CH4 + CO2 _ | −33 | Methanosarcina și Methanosaeta |
Coenzimele specifice iau parte la procesul de metanogeneză : purtători ai grupării metil C 1 ( metanofuran (MF), 5,6,7,8-tetrahidrometanopterina (H 4 MP) și coenzima M (2-mercaptoetansulfonat, CoM)) și purtători de electroni ( F420 (5-deazaflafină) F430 , coenzima B ( 7 -mercapto-heptanoil-treonină fosfat, CoB)) și metanofenazină (MP). H4MP și metanofuranul se găsesc în bacteriile metilotrofe , H4MP , F420 și coenzima M sunt similare cu coenzimele găsite în bacterii și eucariote, F430 și coenzima B nu au analogi în alte organisme. Analogii H4MP, metanofuran și CoM în eubacterii și eucariote sunt tetrahidrofolatul și S-adenosilmetionina . Prezența cofactorilor unici în arheile metanogene stă la baza uneia dintre ipotezele despre evoluția lor separată. Prezența coenzimelor arhabacteriene în eubacterii este o dovadă pentru transferul orizontal recent al genelor .
Procesul de reducere a dioxidului de carbon la metan este cel mai bine studiat.
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O _ _ Metanogeni hidrogenotrofici fără citocromiMajoritatea metanogenelor folosesc hidrogenul ca agent reducător [1] . Astfel de metanogene sunt numiți hidrogen-oxidanți sau hidrogenotrofici . Hidrogenotrofii obligatorii includ familiile Methanopyrales , Methanobacteriales , Methanococcales și Methanomicrobials . O excepție dintre Methanomicrobial este Methanosphaera stadtmanae , care trăiește în tractul digestiv uman. Folosește metanol și hidrogen ca substraturi pentru metanogeneză, deoarece nu poate folosi CO 2 [4] .
Metanogenii autotrofe, spre deosebire de familia Methanosarcinales , nu conțin citocromi și nu au un analog funcțional al chinonelor - metanofenazina [5] . Metanogenii aftotrofici obțin energie cu ajutorul chemiosmozei , dar fără ajutorul chinonelor sau citocromilor și al analogilor acestora. Crește doar pe H 2 + CO 2 sau acid formic și nu pot folosi compuși metilati sau acetat. În același timp, este suficient ca acestea să crească dacă presiunea parțială a H2 este mai mică de 10 Pa, pentru a efectua metanogeneza. Perioada lor de dublare celulară este mai mică de o oră. Printre metanogene fără citocromi, există multe specii hipertermofile .
Procesul de metanogeneză începe cu activarea din CO2 de către cofactorul unic metanofuran, care duce la formarea de N-carboximetanofuran, un intermediar instabil, care este redus la compusul stabil N-formilmetanofuran. Această reacție necesită un agent reducător sub formă de ferredoxină redusă . Electronii necesari pentru această reacție de reducere sunt furnizați de hidrogen în timpul oxidării. Alternativ, ele pot fi furnizate de formiat atunci când sunt oxidate de formiat dehidrogenază la CO2 . Deoarece formarea N-formilmetanofuranului este o reacție endergonică, este implicată energia necesară a gradientului ionic electrochimic al membranei [6] . Gruparea formil este apoi transferată la un alt cofactor, tetrahidrometanopterina, similar structural cu tetrahidrofolatul altor organisme . Apoi gruparea formil atașată la tetrahidrometanopterină este deshidratată și redusă treptat la N5 , N10- metenil -H4MPT, N5,N10 - metilen - H4MPT și N5 , N10 - metil - H4MPT sau moleculară . hidrogen, sau cu participarea F 420 [7] . Acest proces este complet reversibil și poate fi efectuat în sens invers. F 420 oxidat este regenerat de hidrogenază dependentă de fier-nichel F 420 (EC 1.12.98.1).
După aceea, gruparea metil rezultată este transferată la coenzima M, utilizând proteina membranară metiltetrahidrometanopterin:coenzima M-metiltransferaza (EC 2.1.1.86). Metiltransferaza este o proteină legată de membrană. Transferul unei grupări metil de la metil-H 4 MP la coenzima M este o reacție exergonică (ΔG 0 '= -29 kJ/mol) [6] ). Metanogenii folosesc energia eliberată pentru a exporta aproximativ doi ioni de sodiu din celulă. Ca rezultat, se formează un gradient membranar de ioni de sodiu, care este utilizat pentru sinteza ATP. Metil-S-CoM este redus de coenzima B la metan cu participarea metil-CoM reductazei cu formarea de metan, precum și heterodisulfură a coenzimelor B și M. Aceasta este o reacție cheie în sinteza metanului. Metil-CoM reductază conţine cofactorul F430 . Ultimele două reacții sunt ireversibile.
Metanogenii autotrofi, spre deosebire de alți metanogene, nu au nici metanofenazină, nici heterodisulfid reductază legată de membrană [8] . Pentru a reduce heterodisulfura, ei folosesc heterodisulfura reductaza citoplasmatică, care, datorită energiei reacției de oxidare a hidrogenului, restabilește și ferredoxina prin mecanismul de bifurcare a electronilor . Funcționarea enzimei citoplasmatice nu este asociată cu crearea unei forțe motrice de protoni. Prin urmare, metanogenii fără citocrom pot folosi doar gradientul de sodiu creat de metiltransferază. Metanogenii autotrofi necesită prezența ionilor de sodiu pentru creștere, deoarece acest cation este utilizat în mecanismul de stocare a energiei.
N5 , N10 - metil -H4 MPT servește ca punct de ramificare între procesul de metanogeneză și sinteza acetil-CoA în metanogeni. În timpul sintezei acetil-CoA, gruparea metil este transferată de către omologul metiltetrahidrometanopterin:coenzima M-metiltransferază (EC 2.1.1.86), enzima 5-metiltetrahidrofolat:corrinoid/proteina sulf de fier metiltransferaza (EC 2.2581).1. Această grupare metil reacţionează apoi cu o grupare CO formată de CO dehidrogenază anaerobă (EC 1.2.7.4) pentru a produce acetil-CoA. Acetil-CoA este folosit pentru a sintetiza carbohidrați.
Număr
reactii |
Enzimă | Cod KF | reacție catalizată |
---|---|---|---|
unu | formilmetanofuran:ferredoxin oxidoreductaza | 1.2.7.12 | CO 2 + 2PD restaurare. + metanofuran \u003d formilmetanofuran + H 2 O + 2 Fd oxid. |
2 | formilmetanofuran:tetrahidrometanopterin formiltransferaza | 2.3.1.101 | formilmetanofuran + H4MP = formil- H4MP + metanofuran |
3 | metanil-tetrahidrometanopterin ciclohidrolaza | 3.5.4.27 | formil- H4MP = metanil - H4MP + H2O |
patru | H2 dependentă de metilen tetrahidrometanopterin dehidrogenază | 1.12.98.2 | metanil-H 4 MP + H 2 \u003d H + + metilen-H 4 MP |
5 | F 420 - dependentă de metilen-tetrahidrometanopterin reductază | 1.5.98.2 | metilen-H 4 MP + F 420 H 2 = metil-H 4 MP + F 420 |
6 | metil-tetrahidrometanopterina: coenzima M metiltransferaza | 2.1.1.86 | metil - H4MP + HSCoM + Na + int = H4MP + metil -SCoM + Na + ext. |
7 | metil-coenzima M reductaza | 2.8.4.1 | metil-SCoM + HSCoB = CoM-SS-CoB + CH4 |
opt | H2 citoplasmatic : heterodisulfură CoB-CoM, ferredoxin reductază ( dependent de H2 ) | 1.8.98.5 | 2H 2 + CoM-SS-CoB + 2Pd restaurare. = 2H + + HSCoM + HSCoB + 2 Phd oxid . |
9 | F 420 -hidrogenază dependentă | 1.12.98.1 | H2 + F420 = F420H2 _ _ _ |
Acidul formic sau anionul său, formiatul (HCOO - ) poate fi utilizat de aproximativ jumătate din toți metanogenii ca substrat [9] . Spre deosebire de dioxidul de carbon, acesta nu este transferat direct în metanofuran, ci este mai întâi oxidat de formiat dehidrogenază la dioxid de carbon. Enzima conține molibden și grupuri de fier-sulf și a fost deja izolată, de exemplu, din Methanobacterium formicicium și Methanococcus vannielii.F 420 este simultan redus în reacție . Dioxidul de carbon este apoi redus la metan, așa cum este descris mai sus.
În ceea ce privește reducerea treptată a CO2 la metan , aceasta necesită agenți reducători. Prin urmare, utilizarea formiatului în metanogeneză necesită un total de opt electroni. Acest lucru este asigurat de oxidarea a patru molecule de acid formic la dioxid de carbon. Se eliberează trei molecule și una este redusă la metan. Ecuația finală a procesului:
Metanogenii din ordinul Methanosarcinales conțin citocromi și metanofenazină , spre deosebire de alte ordine de bacterii metanogene. Metanofenazina este transportorul universal de electroni în membrana acestor metanogene și înlocuiește acolo chinona , care este necesară altor organisme pentru transportul electronilor în lanțul respirator . Methanosarcinale sunt cei mai versatili metanogeni, putând folosi compuși foarte diferiți pentru creștere.
Metanogeneză autotrofăDe asemenea, pot folosi un amestec de H2 + CO2 , dar spre deosebire de metanogenii autotrofi , presiunea parțială a hidrogenului trebuie să fie peste 10 Pa. Metanogenii cu citocromi cresc lent, rata de diviziune a acestora este mai mare de 10 ore pe diviziune celulară. Până în prezent, nu s-au găsit reprezentanți ai metanogenelor cu citocromi care să crească în condiții hipertermofile. Acest lucru se datorează instabilității citocromilor la temperaturi ridicate. De asemenea, metanosarcinele nu pot folosi acid formic.
Metanogeneza metilotroficăMulte metanosarcine cresc pe acetat și compuși metilați precum metanol , metilamine ( mono- , di- , trimetilamină ), metiltioli ( sulfură de dimetil , metantiol ) [9] .
Aminele N-metilate cu o grupare laterală de carbon C 2 pot fi folosite și de unii metanogene din genul Methanococcoides (aparținând Methanosarcinales ) pentru metanogeneză [3] [2] . Cu toate acestea, în acești compuși sunt utilizate numai grupări metil. De exemplu, colina sau dimetilaminoetanolul (DMAE) se descompune în etanolamină, iar gruparea metil este utilizată în reacțiile de metanogeneză. Dimetiletanolamina este utilizată printre altele Methanococcoides methylutens și Methanococcoides burtonii . Betaina servește, de asemenea, ca substrat pentru unele specii de Methanococcoides : similar colinei, gruparea metil este redusă la metan și este eliberată dimetilglicina . Încă se cercetează dacă metanogenii pot folosi și amine metilate cu lanțuri laterale mai lungi.
Deoarece carbonul din grupa metil este mai redus decât în CO 2 , compușii C 1 nu trebuie să parcurgă întregul traseu, ca în cazul dioxidului de carbon. Prin urmare, ele sunt implicate în reacții în treimea inferioară a căii de metanogeneză, sub formă de metil-CoM. Pe lângă calea directă către metan, compușii metilați trebuie, de asemenea, să fie oxidați la dioxid de carbon într-o secvență inversă a reacțiilor față de cele observate în metanogeneza hidrogenotrofică. Astfel, în metanogenii metilotrofici, există o ramură oxidativă și una reducătoare. Acest lucru se datorează faptului că electronii pentru ramura reducătoare trebuie prelevați din reacțiile de oxidare a grupării metil la dioxid de carbon, deoarece utilizarea hidrogenului de mediu (ca sursă de electroni) nu este adesea posibilă.
De exemplu, atunci când metanolul este oxidat la dioxid de carbon, trei molecule sunt reduse la metan, cu ajutorul a 6 electroni obținuți în timpul oxidării celei de-a patra molecule. Această disproporționare are loc conform ecuației:
Ramurile oxidante și reducătoare funcționează și în timpul absorbției metilaminelor de către Methanosarcina . Metilaminele sunt metabolizate în metan, CO 2 și amoniac (NH 3 ), în urma cărora trei și grupele metil sunt reduse la metan, iar una este oxidată la dioxid de carbon.
De exemplu, patru molecule de metilamină sunt convertite conform ecuației:
De regulă, compușii C 1 metilați se degradează în funcție de reacție:
(unde R = –SH, –OH, –NH 2 , –NHCH 3 , –N(CH 3 ) 2 , –N(CH 3 ) 3 + )
Transferul grupării metil de la compușii C 1 la CoM este catalizat de metiltransferaze citosolice, în care centrul activ conține aminoacidul pirolizină și un corinoid ca grup protetic.
În ramura oxidativă, gruparea metil este transferată de o metiltetrahidrometanopterin:CoM metiltransferază legată de membrană. Deoarece această reacție consumă energie, în acest scop este utilizat un gradient electrochimic de ioni de sodiu. Metiltetrahidrometanopterina este oxidată pentru a forma F420 redus . Gruparea formil este apoi transferată în metanofuran și în final oxidată cu formil dehidrogenază la dioxid de carbon.
Una dintre diferențele dintre metanogenii metilotrofici și alți metanogene este că aceștia au adesea versiuni modificate ale tetrahidrometanopterinei și derivaților săi. Unii metanogene (inclusiv genul Methanosarcina și Methanocaldococcus jannaschii) au cofactorul tetrahidrosarcinopterina, care se formează din tetrahidromethanopterina prin adăugarea unui reziduu de glutamat. Membrii genului Methanogenium conțin tatiopterină, care diferă de tetrahidrosarcinopterină suplimentară prin prezența unui tetraindrotesar suplimentar. lanțul lateral și absența unei grupări 7-metil în fragmentul pterina.
În plus față de gradientul de sodiu creat de metiltetrahidrometanopterin:CoM metiltransferaza, energia în metanogenii metilotrofici este, de asemenea, stocată atunci când heterodisulfura este redusă de complexul enzimatic membranar de hidrogenază și hidrodisulfură reductază . La speciile Methanosarcina , heterodisulfid-reductaza este formată din două subunități (HdrDE) [10] . Enzima este o proteină membranară. Donatorul de electroni este metanofenazina redusă, un compus asemănător chinonei care se găsește în membrană. Electronii necesari pentru a reduce heterodisulfura sunt preluați direct din hidrogen prin oxidarea acestuia cu H2 : metanofenazin dehidrogenază (EC 1.12.98.3, Vho), care conține, printre altele, hemul b ca grup protetic. Alternativ, electronii pot fi furnizați prin F420 redus . În timpul reacției, protonii sunt transportați din celulă în exterior. Adică, acest complex servește ca o pompă de protoni . Reacția de reducere indirectă a metanofenazinei este efectuată de F 420 : metanofenazin dehidrogenază (EC 1.5.98.3, Fpo). F 420 oxidat este redus cu hidrogen utilizând hidrogenaza reducătoare de F 420 (EC 1.12.98.1). Un complex de hidrogenază a fost găsit în Methanosarcina barkeri , care trăiește în apă dulce. Methanosarcina acetivorans , o arhee de apă sărată, oxidează în loc de ferredoxina cu hidrogen redus într-un complex membranar similar (Rnf) care conține citocromul c ca grup protetic.
Astfel, metanogenii creează atât un gradient de protoni, cât și un gradient de ioni de sodiu (Δµ H + , Δµ Na + ) [6] . Metanogene sunt singurele organisme care creează aceste două gradienți în paralel.
Aproape toți metanogenii sunt capabili să oxideze hidrogenul cu dioxid de carbon, dar numai două genuri ( Methanosarcina , Methanothrix ( Methanosaeta )) pot decarboxila acetatul. În același timp, ele aduc cea mai mare contribuție la emisia globală de metan [9] . Metanul obținut datorită acestora reprezintă 66% din producția finită de metan de pe Pământ [11] . Se numesc metanogene acetoclastice. Acetatul ( CH3COOH ) este singurul compus C2 care poate fi utilizat pentru metanogeneză .
Pentru utilizare ca substrat pentru metanogeneză, acetatul este „activat” prin reacția acestuia cu coenzima A pentru a produce acetil-CoA . Există două opțiuni:
Acetil-CoA se descompune în trei părți într-un complex cu CO-dehidrogenază/acetil-CoA sintetaza (CODH/ACS). Complexul transferă gruparea metil (CH3- ) la H4MP , care este transformată în metan așa cum s-a descris mai sus. Gruparea carboxil (-CO) este oxidată la CO2 în starea legată de complexul enzimatic. Coenzima A liberă este eliberată în citoplasmă. Astfel, o moleculă de acetat formează o moleculă de dioxid de carbon și o moleculă de metan, conform reacției:
Heterodisulfura CoM-SS-CoM, care se obține în timpul sintezei metanului, este redusă la coenzimele M și B sub acțiunea membranei dihidrometanofenazinei: CoB-CoM heterodisulfură reductază (HdrDE, EC 1.8.98.1) [12] . Când heterodisulfura este redusă din citoplasmă, doi protoni sunt absorbiți și se generează o forță de antrenare a protonilor [13] . Donatorul de electroni este dihidrometanofenazina, obținută prin utilizarea electronilor de hidrogen, fie direct, fie prin reducerea F 420 . Reducerea directă are loc sub acțiunea fenazinhidrogenazei I (EC 1.12.98.3). Reducerea indirectă are loc prin implicarea F 420 H 2 : metanofenazin dehidrogenază (EC 1.5.98.3). Factorul redus F 420 însuși se obține prin reducerea cu hidrogen sub acțiunea hidrogenazei F 420 (EC 1.12.98.1). Ambele dehidrogenaze legate de membrană transportă un proton peste membrană. Aceasta are ca rezultat un gradient de protoni pentru sinteza ATP.
Monoxidul de carbon (CO) poate fi folosit doar de câteva specii pentru metanogeneză [1] . Methanothermobacter thermoautotrophicus și Methanosarcina barkeri formează trei molecule de CO2 și o moleculă de metan din patru molecule de CO . Methanosarcina acetivorans poate folosi CO ca substrat, rezultând în paralel formarea de acetat și fomat [14] . Acest tip de acetogeneză în metanogene se numește acetogeneză carboxitrofică [15] .
În procesul de metanogeneză se creează atât un gradient de protoni, cât și un gradient de ioni de sodiu (Δµ H + , Δµ Na + ) [6] . Metanogene sunt singurele organisme care creează aceste două gradienți în paralel. Ca și în cazul respirației anaerobe sau aerobe, energia diferenței de concentrații de ioni este utilizată pentru a sintetiza ATP cu participarea ATP sintazei .
Arheele au propria lor ATP sintaza de tip A 1 A 0 , bacterii, mitocondrii și cloroplaste F 1 F 0 -ATP sintaza și eucariote V 1 V 0 . Metanogenii folosesc A 1 A 0 -ATP sintaza. În genomul dnei. barkeri și dna. au fost găsite, de asemenea, gene acetivorans pentru F 1 F 0 -ATP sintaza bacteriană. Cu toate acestea, nu se poate spune exact dacă sunt exprimate și funcționează [6] . Probabil că aceste gene au apărut în genomul acestor arhei prin transfer orizontal al genelor .
Nu este clar dacă ATP sintetazele de tip A 1 A 0 din arheile metanogene utilizează ioni de sodiu sau protoni. Cu toate acestea, datorită prezenței antiporterului Na + /H + , diferența dintre concentrațiile ionilor de sodiu poate fi întotdeauna convertită într-o forță motrice de protoni.
Structura exactă a ATP sintetazei este încă o chestiune de cercetare. Deși A 1 A 0 -ATP sintazele seamănă cu tipurile eucariote V 1 V 0 , ele produc funcțional ATP, în timp ce eucariotele, dimpotrivă, hidrolizează și consumă ATP pentru a crea un gradient ionic [9] . Majoritatea arheilor au un rotor de 12 subunități. Domeniul catalitic care generează ATP are trei situsuri de legare. Astfel, patru protoni sunt suficienți pentru sinteza unei molecule de ATP. O excepție este ATP sintetaza Mc. janaschii si Mc. maripaludis , unde elementul rotativ are doar 8 grupe. În medie, 2,6 protoni sunt suficienți pentru sinteza unei molecule de ATP.
Reducerea dioxidului de carbon la metan de către hidrogen este un proces exergonic (se realizează cu eliberarea de energie). În condiții standard la pH=7, modificarea energiei Gibbs ΔG 0 ' este −130 [16] , −131 [6] , [17] , [15] sau 135 [1] kJ/mol CH 4 în funcție de sursa literaturii. În astfel de condiții, în timpul metanogenezei, din ADP și fosfat anorganic se pot forma 3 molecule de ATP per moleculă de metan formată. Valorile ΔG 0 ' pentru alte reacții de formare a metanului sunt prezentate în tabelul de mai sus.
Pentru a calcula ΔG 0 ' se folosesc temperatura de 25°С, pH=7 și concentrația gazelor dizolvate în echilibru la presiunea lor de 10 5 Pa [17] . Cu toate acestea, acest lucru nu corespunde condițiilor habitatelor naturale, deoarece astfel de concentrații mari de gaz nu apar în mediu și nu pot fi menținute într-o celulă. Astfel, în condiții naturale, producția de energie este mai mică.
În majoritatea habitatelor se observă o presiune a hidrogenului de aproximativ 1-10 Pa [17] . La această presiune H 2 și pH=7, modificarea energiei libere este de la 17 la 40 kJ/mol metan, ceea ce poate însemna sinteza a mai puțin de o moleculă de ATP pe moleculă de metan produs. În plus, valoarea pH-ului, presiunea și temperatura joacă un rol în calcularea ΔG. De exemplu, modificarea energiei libere în timpul reducerii dioxidului de carbon la metan cu hidrogen în condiții standard (25°С) scade de la −131 kJ/mol la −100 kJ/mol dacă luăm temperatura calculată de 100°С [ 17] .
Chiar și atunci când sunt utilizați alți compuși C 1 , ΔG' este scăzut, astfel încât mulți metanogene cresc aproape de „limita termodinamică” [6] .
Aproximativ 50 de specii din 17 genuri au capacitatea de a forma metan, toate aparținând arheilor diviziei Euryarchaeota . În mod tradițional, ele sunt considerate ca un grup de bacterii producătoare de metan , cu toate acestea, filogenetic este foarte eterogen. Există patru clase, inclusiv 6 ordine: Methanobacteria ( Methanobacteriales ), Methanococci ( Methanococcales ), Methanopyri ( Methanopyrales ) și Methanomicrobiales cu 3 ordine ( Methanobacteriales , Methanosarcinales și Methanocellales ). Methanopyrales este cel mai vechi din punct de vedere filogenetic, în timp ce Methanosarcinales este cel mai tânăr [17] [18] [19] . Ordinul Methanocellales , descoperit în 2008, este înrudit cu arheile Methanocella paludicola și Methanocella arvoryzae , găsite în solul câmpurilor de orez. Sunt angajați în metanogeneză autotrofă. Methanoplasmatales , care sunt înrudite cu Thermoplasmatales , au fost propuse în literatură ca ordinul al șaptelea [20] , dar apoi au fost redenumite Methanomassiliicoccales . [21] [22]
Toți metanogenii sunt anaerobi stricti, creșterea unora dintre ei este complet suprimată când apare oxigen 0,004% în faza gazoasă , primele specii izolate în culturi pure au crescut la un potențial redox al mediului mai mic de -300 mV. Majoritatea sunt mezofile și au un optim de creștere în regiunea 30-40°C, toți au un pH optim la 6,5-7,5, există halofile .
Aproximativ jumătate dintre specii sunt autotrofe și fixează dioxidul de carbon prin calea acetil-CoA , un număr dintre ele fiind capabile de fixare a azotului ( Methanosarcina barkeri , Methanobacterium formicium ). Sulful este absorbit cel mai adesea într-o formă redusă; sulful molecular, anionul sulfit , poate fi implicat în metabolism. Doar câteva specii ( Methanobrevibacter ruminantium , Methanococcus thermolithrophicum ) pot folosi anionul sulfat .
Analiza genomului arată că metanogeneza a apărut în timpul formării Euryarchaeota și numai după divergența de la Thermococcales [23] . Acest lucru este susținut de faptul că toți metanogenii au aceleași enzime și cofactori omologi pentru calea metanogenă centrală. În plus, apariția metanogenezei a avut loc probabil o singură dată, deoarece nu a fost găsit transferul orizontal de gene între metanogene și ordinele Thermoplasmatales , Archaeoglobales și Halobacteriales , care nu pot realiza metanogeneza. Probabil, arheile din aceste trei ordine și-au pierdut capacitatea de metanogeneză în cursul evoluției.
De ce metanogeneza a apărut în Euryarchaeota destul de devreme și „din senin” rămâne un subiect de cercetare. Există mai multe teorii despre originea metanogenezei. O teorie este că ultimul strămoș comun al Archaea a fost el însuși un organism metanogen [23] . Unele arhei folosesc metanogeneza în medii cu salinitate ridicată, aciditate și temperaturi ridicate. Deoarece se presupune că aceste condiții de mediu au prevalat chiar și după formarea Pământului, arhea metanogenă ar fi putut fi una dintre primele forme de viață [6] . Prin urmare, capacitatea de metanogeneză s-ar fi pierdut independent în toate Crenarchaeota , precum și în toate celelalte linii nemethanogene, ceea ce este foarte puțin probabil [11] .
Potrivit unei alte teorii, originea metanogenezei este asociată cu nevoia de oxidare a metanului, adică pe drumul de întoarcere. Aceste bacterii, numite și metanotrofe , oxidează metanul în dioxid de carbon și apă în condiții aerobe, în timp ce în arheea acesta este un proces anaerob [24] . Există, de asemenea, un punct de vedere opus că astfel de arhei metanotrofe au apărut din arheile metanogenice. Se postulează că metanogeneza, metanotrofia anaerobă arheală și metanotrofia aerobă bacteriană au evoluat dintr-o cale metabolică comună care a fost folosită inițial de ultimul strămoș comun pentru a detoxifica formaldehida .
Noua teorie ia în considerare rolul pirolizinei în metanogeneza metilotrofică în Methanosarcinales , prin care metilaminele sunt incluse în metanogeneză [11] . Gruparea metil a metilaminelor este transferată la proteina corinoidă printr-o metiltransferază specifică (vezi secțiunea de mai sus). Metiltransferazele conțin 22 de aminoacizi - pirolizină în centrul activ catalitic. Deoarece toate enzimele pirolizină sunt foarte vechi din punct de vedere filogenetic, se crede că au fost transferate orizontal de la mai multe linii donatoare care sunt acum fie dispărute, fie nu au fost încă descoperite. Cu toate acestea, acest lucru înseamnă, de asemenea, că linia ancestrală în care a apărut enzima a atins deja un anumit grad de diversitate până în momentul în care a existat un strămoș comun al celor trei domenii majore ale vieții.
Citocromii au fost găsiți numai în Methanosarcinales , care metabolizează o gamă mai largă de substraturi decât metanogene fără citocromi și folosesc, de asemenea, acetat. Se crede că metanogeneza acetoclastică a apărut târziu. Se presupune că genele acetat kinazei necesare pentru utilizarea acetatului sunt mai întâi transferate în arheile metanogenice prin transferul orizontal al genelor din clostridiile lor acetogenice bacteriene care degradează celuloza asociată [25] [26] .
Când sunt cultivate pe un amestec de dioxid de carbon și hidrogen, Methanosarcinales necesită concentrații mari de H2 . Prin urmare, la concentrații scăzute de gaze, metanogenii fără citocromi cresc de preferință. Ca urmare a evoluției, unii Methanosarcinales , cum ar fi dna. acetivorans , Methanolobus tindarius și Methanothrix soehngenii și -au pierdut complet capacitatea de a folosi dioxidul de carbon ca substrat într-un amestec cu hidrogen [17] . Deoarece metanogeneza pe un amestec de dioxid de carbon și hidrogen este foarte răspândită, se crede că această formă este cea mai veche [21] .
Metanogeneza este o componentă cheie a ciclului carbonului Pământului . Metanogenii completează degradarea anaerobă a biomasei folosind hidrogen molecular, dioxid de carbon și monoxid de carbon, precum și acizi organici inferiori eliberați în timpul proceselor de fermentație . Astfel revenindu-i înapoi la ciclul carbonului. Deoarece aceste gaze, și în special metanul, sunt gaze cu efect de seră majore , metanogeneza este esențială pentru procesul de încălzire globală [6] . Se presupune că formarea metanului biogen joacă un rol în formarea hidratului de metan , a cărui utilizare economică este de interes. Peste 20% din rezervele mondiale de metan sunt de origine biogenă.
Metanogeneza joacă, de asemenea, un rol important la sfârșitul lanțului trofic anaerob, deoarece permit în primul rând creșterea multor specii bacteriene sintrofice . Acești fermentatori secundari își obțin energia din fermentarea lactatului, propionatului, butiratului și compușilor organici simpli, eliberând hidrogen, CO 2 și acetat. Totuși, din motive termodinamice, aceste reacții de fermentație sunt posibile numai dacă hidrogenul produs este consumat rapid și presiunea parțială a H2 nu crește peste 100 Pa. Absorbția hidrogenului este asigurată de metanogeni strâns înrudiți, care necesită acest hidrogen pentru metanogeneză. Transferul de hidrogen între bacteriile sintrofice și arhee, adică între diferite specii, se mai numește și transferul de hidrogen între specii [27] [1] .
Deoarece metanogenii asociați cu bacteriile sintrofice se găsesc și în tractul digestiv uman, metanogeneza are un impact asupra digestiei [28] . Aproximativ 10% din bacteriile anaerobe care trăiesc în tractul digestiv uman sunt metanogene din speciile Methanobrevibacter smithii și Methanosphaera stadtmanae . Ei folosesc doi produse de fermentație bacteriană pentru metanogeneză: hidrogen și formiat. O concentrație mare de hidrogen inhibă producția de ATP de către alte bacterii. M. smithii metabolizează, de asemenea, metanolul , care este toxic pentru oameni. Prin urmare, metanogenele au un efect pozitiv asupra florei intestinale umane .
Formarea metanului are loc în natură în medii exclusiv anaerobe în care are loc descompunerea biomasei. Acestea pot fi, de exemplu, sedimente de fund ale lacurilor și mărilor, rumenul de vite , termite și intestine umane , câmpuri de orez sau mlaștini . Metanogenii folosesc, de asemenea, metaboliții bacteriilor Clostridium butyricum , care cauzează degradarea lemnului umed [21] .
Metanogenii închid așa-numitul „lanț trofic anaerob” [9] . La începutul acestui lanț , biopolimerii , cum ar fi proteinele și polizaharidele , în special celuloza , sunt mai întâi descompuse în monomeri ( aminoacizi și carbohidrați ). Lipidele sunt descompuse în componentele lor constitutive (de exemplu, acizi grași ). Bacteriile fermentează apoi aceste produse de descompunere în acizi carboxilici simpli (cum ar fi formiat , acetat , pripionat , lactat și succinat ), alcooli (cum ar fi etanol , izopropanol și butanol ) și alți compuși cu greutate moleculară mică ( H2 , CO2 și cetone cu lanț scurt) . Bacteriile acetogene sintrofe folosesc unii dintre acești compuși și îi transformă în compuși C 1 și acetat. În ultima parte a lanțului trofic anaerob, acești compuși sunt utilizați în metanogeneză ca sursă de carbon, energie și agenți reducători, formând CH4 și CO2 .
Compușii C 1 având o grupare metil, cum ar fi metilamina (CH 3 NH 2 ) sau metanolul (CH 3 OH), sunt obișnuiți în special în apa de mare sau salmastre și sunt produse ale degradării anaerobe a componentelor celulare ale unor plante și fitoplancton . 9] .
Ca aditiv artificial, metanogenii pot fi utilizați pentru tratarea apelor uzate . Aceste habitate sunt potrivite pentru organismele mezofile care cresc la temperaturi moderate. Metanogeneza are loc în medii cu temperaturi extrem de ridicate și scăzute [29] și salinitate ridicată sau aciditate ridicată, cum ar fi izvoarele geotermale . În toate cazurile, în aceste habitate, concentrațiile de ioni de sulfat, azotat, mangan (IV) și fier (III) trebuie să fie scăzute, în caz contrar, bacteriile folosesc acești ioni ca acceptori de electroni în respirația anaerobă folosind aceleași substraturi ca și metanogenii ca donatori. electroni. Procesele redox ale respirației anaerobe sunt mai benefice din punct de vedere energetic și se desfășoară înaintea proceselor de metanogeneză și, prin urmare, metanogenii își pierd sursa de energie și pierd competiția [17] . În condiții anaerobe, dioxidul de carbon este rareori substratul limitativ, deoarece este eliberat continuu în timpul reacțiilor de fermentație de către bacteriile însoțitoare [1] . Majoritatea metanogenelor preferă un pH neutru , cu excepția, de exemplu, Methanocalculus alkaliphilus sau Methanosalsum natronophilum , în care optimul de creștere este într-un mediu alcalin și este de 9,5 sau Methanoregula booneii 5,1 unități de pH [21]