Аммонификация

Аммонификация белка. Высокомолекулярные соединения, которыми являются белки, не могут непосредственно усваиваться микроорганизмами. Они должны быть расщеплены на составные части. Процесс минерализации белковых веществ микроорганизмами с выделением аммиака или образованием аммонийных солей называется аммонификацией белка, или гниением, а микроорганизмы, вызывающие этот процесс – аммонифицирующими, или гнилостными микроорганизмами. Аммонификация белков начинается с их гидролиза под действием протеолитических экзоферментов микроорганизмов. Происходит последовательное образование пептонов, пептидов и аминокислот. Из полученных соединений наиболее доступными для микроорганизмов являются аминокислоты, которые растворимы в воде. В таком виде они поступают внутрь микробной клетки, где подвергаются воздействию эндоферментов, в частности дезаминированию под воздействием ферментов дезаминаз.

Существуют несколько типов дезаминирования (гидролитическое, окислительное, восстановительное и др.), которые приводят к образованию аммиака, оксикислот (гидрокислот), жирных кислот, кетокислот. Во всех случаях при любом типе дезаминирования среди конечных продуктов всегда обнаруживается аммиак:

+H₂O

Гидролитическоедезаминирование: R-CHNH₂-COOH → R-CHOH-COOH +NH₃

гидрокислота

+H₂

Восстановительноедезаминирование: R-CHNH₂-COOH → R-CH₂-COOH +NH₃

жирная кислота

+O₂

Окислительноедезаминирование: R-CHNH₂-COOH → R-C=O-COOH +NH₃

кетокислота

В аэробных условиях, кроме аммиака, образуется диоксид углерода, сероводород, в анаэробных - жирные и ароматические кислоты (бензойная и др.), спирты, индол, скатол, фенол, меркаптаны. В аэробных условиях происходит полное окисление жирных кислот с образованием СО₂ и H₂O.

Кроме дезаминирования внутри микробной клетки возможны и другие превращения аминокислот – 1) декарбоксилирование, в результате которого появляются первичные амины (предшественники трупных ядов); 2) переаминирование, приводящее к появлению новых аминокислот; 3) синтез белка.

Декарбоксилирование происходит под воздействием эндоферментов декарбоксилаз с образованием СО₂ и первичных аминов:

R-CHNH₂-COOH → R- CH₂ - NH₂ + СО₂

Сероводород образуется из аминокислот, содержащих серу:

+H₂O

SH-CH₂CH-NH₂-COOH → CH₂OH-CHOH-COOH + H₂S + NH₃

цистеин глицериновая кислота

В анаэробных условиях не происходит полного окисления жирных кислот, и они накапливаются в среде. Из ароматических аминокислот в анаэробных условия образуются неприятно пахнущие вещества – индол, скатол, фенол.

тирозин крезол фенол

триптофан скатол индол

Из серусодержащих аминокислот образуются меркаптаны:

SH-CH₂CH-NH₂-COOH → SH-CH₂-CH₃OH + СО₂ + NH₃

цистеин этил меркаптан

Индол, скатол, крезол, меркаптаны являются ядовитыми веществами.

Первичные амины (диамины и птомаины) называются также биогенными аминами. Они являются токсическими соединениями, предшественниками трупных ядов.

Из аминокислоты лизина под воздействием фермента декарбоксилазыобразуется кадаверин (предшественник трупного яда нейрина):

NH₂-(СH₂)₄-СH-NH₂-COOH → NH₂-(СH₂)₅-NH₂ + СО₂

Из аминокислоты орнитинапод воздействием декарбоксилазы образуется путресцин (предшественник трупного яда мускарина):

NH₂-(СH₂)₃-СH-NH₂-COOH → NH₂-(СH₂)₄-NH₂ + СО₂

Из аминокислоты аргинина образуется агматин, фенилаланина – фенилэтиламин, тирозина – тирамин, гистидина – гистамин.

Аммонифицирующие микроорганизмы. Аммонификацию белков вызывают микроорганизмы, обладающие протеолитическими ферментами (протеазами).

К аэробным аммонификаторам относятся в основном спорообразующие палочки рода Bacillus: B.mesentericus (картофельная палочка); B.subtilis (сенная палочка); B.mycoides (земляная палочка); B.megaterium и др. Неспорообразующие аэробные аммонификаторы – это в основном пигментообразующие палочки рода Pseudomonas, например. P.fluorescens.

Факультативно-анаэробные аммонификаторы - это в основном представители семейства Enterobacteriaceae: Proteus vulgaris (вульгарный протей); Escherichia coli (кишечная палочка). Аммонифицирующие микроорганизмы встречаются среди актиномицетов, микроскопических грибов, например, грибы родов Penicillium, Mucor, Apergillus, Trichoderma и др.

Гнилостные анаэробные микроорганизмы – это спорообразующие бактерии рода Clostridium, являющееся возбудители раневых инфекций, такие как C.perfringens (возбудитель газовой гангрены), C.teteni (возбудитель столбняка), в также C.sporogenes, C.putrificum.

Аммонификация нуклеиновых кислот. Аммонификацию нуклеиновых кислот вызывают микроорганизмы, продуцирующие нуклеазы.Нуклеазы (внеклеточные ДНК-азы и РНК-азы) найдены у многих микроорганизмов – представителей родов Bacillus, Mycobacterium, Nocardia и др. (например, B.megatherium). При распаде нуклеиновых кислот и их производных (пуриновых и пиримидиновых оснований) тоже выделяется аммиак.

Аммонификация мочевины. Мочевина (карбамид) попадает во внешнюю среду в основном с мочой. Человек за сутки выделяет с мочой до 80 г мочевины. Азот в мочевине составляет 46%. За год люди и животные выделяют с мочой свыше 10 млн. т азота. Азот мочевины может усваиваться растениями только после ее разложения. Аммонификацию мочевины осуществляют микроорганизмы, продуцирующие фермент уреазу, под воздействием которого мочевина разлагается до углекислого аммония, который легко распадается на аммиак, углекислый газ и воду:

(NH₂)₂CO + H₂O → (NH₄)₂СО₃ → 2 NH₃ + СО₂ + H₂O

Микроорганизмы, разлагающие мочевину, были открыты в 1862 г. Л.Пастером и названы уролитическими. Это аэробы бактерии, образующие споры. Среди них есть кокки (Micrococcus urea), сарцины (Planosarcina urea), бациллы (Bacillus probates, B.pasteurii). Эти микроорганизмы являются исключением среди кокковых форм. Кубики сарцин состоят из четырех-восьми кокков, имеют споры и покрыты многочисленными жгутиками.

Благодаря образованию углекислого аммония при развитии уробактерий происходит подщелачивание среды (до рН 9-10). Уробактерии относятся к наиболее щелочелюбивым микроорганизмам, оптимум их развития при рН 7,5-8,5. Уробактерии обитают в почве, в рубце жвачных животных, в сточных водах. За счет разложения мочевины почва и водоемы обогащаются доступными для растений формами азота.

Аммонификация мочевой кислоты. Одним из конечных продуктов белкового обмена животных (птиц, пресмыкающихся, насекомых) является мочевая кислота. В помете птиц (гуано) она составляет 25%. В моче млекопитающих концентрация мочевой кислоты незначительна. Разложение мочевой кислоты осуществляется рядом микроорганизмов (например, Clostridium acidiurici) с образованием мочевины и тартроновой кислоты (НООС-СНОН-СООН).

Аммонификация хитина. Хитин – очень стойкое соединение. Это сложный азотсодержащий полисахарид. Структурными элементами хитина являются остатки N-ацетилглюкозамина, соединенные 1,4-глико-зидными связями. Хитин является основным компонентом клеточной стенки многих грибов (например, базидиомицетов, аскомицетов), а также панцирных покровов насекомых, ракообразных, некоторых беспозвоночных. После отмирания этих микроорганизмов хитин попадает в почву, водоемы, где разлагается микроорганизмами, продуцирующими хитиназы. Хитиназы широко распространены у актиномицетов, мукоровых грибов, некоторых бактерий. При разложении хитина образуется аммиак, глюкоза и уксусная кислота.

Аммонификация гумусовых веществ. Значительная часть связанного азота в почве содержится в форме перегнойных (гумусовых) веществ. Их разложение происходит медленно и осуществляется различными группами почвенных бактерий.