Degradationofalkanesbybacteria岳靚142083002012Degradationofalkanesbybacteria-Summary-Introduction-Alkane-degradingbacteria:specializedandnon-specializedspecies-Uptakeofn-alkanes-Aerobicdegradationofalkanes-Anaerobicdegradationofalkanes-Organizationofalkane-degradationgenes-Regulationofalkane-degradationpathways-Convertingexcesscarbonintostoragematerials-ConcludingremarksSummary–綜述Pollutionofsoilandwaterenvironmentsbycrudeoilhasbeen,andisstilltoday,animportantproblem.Crudeoilisacomplexmixtureofthousandsofcompounds.Amongthem,alkanesconstitutethemajorfraction.Alkanesaresaturatedhydrocarbonsofdifferentsizesandstructures.Althoughtheyarechemicallyveryinert,mostofthemcanbeefficientlydegradedbyseveralmicroorganisms.Thisreviewsummarizescurrentknowledgeonhowmicroorganismsdegradealkanes,focusingonthebiochemicalpathwaysusedandonhowtheexpressionofpathwaygenesisregulatedandintegratedwithincellphysiology.Introduction–介紹diversealkanesasasourceofcarbonandenergy.Severalreviewshavecovereddifferentaspectsofthephysiology,enzymesandpathwaysresponsibleforthedegradationofalkanes(WatkinsonandMorgan,1990;Ashrafetal.,1994;vanBeilenetal.,2003;vanHammeetal.,2003;Coon,2005;vanBeilenandFunhoff,2007;Wentzeletal.,2007),sothatthisreviewisdevotedtostressrecent?ndingsandhowtheexpressionofthealkane-degradationgenesisregulated.Alkane-degradingbacteria:specializedandnon-specializedspecies-烷烴降解細菌——專一菌種與非專一菌種Manymicroorganisms(bacteria,?lamentousfungiandyeasts)candegradealkanes,usingthemasthecarbonsource.Atypicalsoil,sandoroceansedimentcontainssigni?cantamountsofhydrocarbon-degradingmicroorganisms,andtheirnumbersincreaseconsiderablyinoil-pollutedsites.Variousalkanedegradersarebacteriathathaveaveryversatilemetabolism,sothattheycanuseascarbonsourcemanyothercompoundsinadditiontoalkanes.Mostfrequently,alkanesarenotpreferredgrowthsubstratesforthesebacteria,whichwillratherutilizeothercompoundsbeforeturningtoalkanes.Ontheotherhand,somebacterialspeciesarehighlyspecializedindegradinghydro-carbons.Theyarecalledhydrocarbonoclasticbacteriaandplayakeyroleintheremovalofhydrocarbonsfrompollutedenvironments.Alkane-degradingbacteria:specializedandnon-specializedspecies-烷烴降解細菌——專一菌種與非專一菌種Manymicroorganisms(bacteria,?lamentousfungiandyeasts)candegradealkanes,usingthemasthecarbonsource.Atypicalsoil,sandoroceansedimentcontainssigni?cantamountsofhydrocarbon-degradingmicroorganisms,andtheirnumbersincreaseconsiderablyinoil-pollutedsites.Variousalkanedegradersarebacteriathathaveaveryversatilemetabolism,sothattheycanuseascarbonsourcemanyothercompoundsinadditiontoalkanes.Mostfrequently,alkanesarenotpreferredgrowthsubstratesforthesebacteria,whichwillratherutilizeothercompoundsbeforeturningtoalkanes.Ontheotherhand,somebacterialspeciesarehighlyspecializedindegradinghydro-carbons.Theyarecalledhydrocarbonoclasticbacteriaandplayakeyroleintheremovalofhydrocarbonsfrompollutedenvironments.Alkane-degradingbacteria:specializedandnon-specializedspecies-烷烴降解細菌——專一菌種與非專一菌種不同的細菌對烷烴的降解情況也各不相同。不優(yōu)先利用烷烴作底物的菌高度專業(yè)化的菌——典型的烴降解菌（hydrocarbonoclasticbacteria）Uptakeofn-alkanes-鏈烴的降解烷烴在水中的溶解度小，且分子量越大，溶解性越小。這阻礙了微生物對其的降解。對于烷烴如何進入細胞還未有定論。低分子量的烷烴在水中具有足夠的溶解性，這就可以保證足量的物質轉移到細胞中。對于中鏈及長鏈的烷烴，微生物要么通過粘附在烴類油滴上，要么通過表面活性物質促進吸收。表面活性劑可以提高烴類在液體的溶解度，但對于土壤或其它狀態(tài)下是無效的。Aerobicdegradationofalkanes-烷烴的有氧降解-甲烷氧化甲烷氧化成甲醇，再到甲醛，最后到甲酸，這就是一個典型的氧化反應Aerobicdegradationofalkanes-烷烴的有氧降解Methanemonooxygenasesandrelated-甲烷單加氧酶及相關的烷烴羥化酶

甲烷單加氧酶會產(chǎn)生一種膜結合甲烷單加氧酶微粒[particulatemethanemonooxygenase(pMMO)]，它們其中有一小部分也包含一種可溶性甲烷單加氧酶[solublemethanemonooxygenase(sMMO)]。如果一支菌株同時含有pMMO和sMMO，sMMO僅僅在可用銅離子濃度很低的情況下才表達。sMMO羥化酶還原酶調控蛋白pMMOαPmoAΒPmoBγPmoCAerobicdegradationofalkanes-烷烴的有氧降解Methanemonooxygenasesandrelated-甲烷單加氧酶及相關的烷烴羥化酶

一些細菌不能利用甲烷生長，但可利用C2-C4烷烴。eg.butanovora假單胞菌（Pseudomonasbutanovora），可對C2-C4烷烴進行連續(xù)的一系列的末端氧化。這個過程最先需要的酶是丁烷單加氧酶[butanemonooxygenase(BMO)]，這是一種與sMMO相似的血紅素鐵單加氧酶，而合成這種酶需要一種伴侶蛋白BmoG。戈登式菌屬Gordoniasp.TY-5可利用丙烷作為碳源它可利用一種底物利用相對單一的sMMO相似的酶次末端氧化丙烷。相似的菌還有Mycobacteriumsp.TY-6andPseudono-cardiasp.TY-7。Aerobicdegradationofalkanes-烷烴的有氧降解TheAlkBfamilyofalkanehydroxylases-膜結合烷烴羥化酶族最優(yōu)特點的烷烴降解途徑是惡臭假單胞菌Gpo1（之前叫做食油假單胞菌Gpo1）被編碼的OCT質粒。第一個酶是AlkB，在末端位置羥化烷烴。AlkB需要兩個可溶性電子轉移蛋白叫紅氧還蛋白（AlkG）和紅素氧還蛋白還原酶（AlkT）。紅素氧還蛋白還原酶，通過它的輔因子FAD，將電子從NADH轉移到紅素氧還蛋白，交替向AlkB轉移電子。雖然AlkB沒有晶體結構，但是它具有六個跨膜片段以及作用于細胞質的催化基團?；钚圆课话?個含有組氨酸的序列并保留有其它烷烴單氧酶的基元，并且螯合了兩個鐵原子。雙鐵原子族通過底物自由基使烷烴有氧激活。其中一個氧原子被轉移到烷烴甲基末端，變成羥基，另一個氧原子被血紅氧還蛋白通過電子轉移轉化成H2O。氧化是具有區(qū)域選擇性和立體專一性的。Aerobicdegradationofalkanes-烷烴的有氧降解TheAlkBfamilyofalkanehydroxylases-膜結合烷烴羥化酶族現(xiàn)有超過60種AlkB酶的同系物，并顯示出很高的序列多樣性。蛋白紅素氧還蛋白

（rubredoxin）傳遞給AlkB酶的活性位點是一個體積很小的鐵硫氧化還原蛋白（redox-activeiron-sulfurprotein）。P.putidaGPo1AlkG含有兩個紅素氧還蛋白類型AlkG1andAlkG2，而其它微生物的紅素氧還蛋白只有其中一種。AlkG1功能未知，AlkG2可傳遞電子。Aerobicdegradationofalkanes-烷烴的有氧降解CytochromeP450alkanehydroxylases-細胞色素P450烷烴羥化酶細胞色素P450是羥化大量化合物的血紅素蛋白，它們在生物圈中無所不在，根據(jù)序列相似性被分為100多個族。一些可降解C5-C10烷烴的細菌含不同的P450。eg.不動桿菌屬Acinetobactersp.EB104CYP153A1相似的酶還存在于分支桿菌屬mycobacteria,紅球菌屬rhodococci及變形菌屬proteobacteria。Aerobicdegradationofalkanes-烷烴的有氧降解Metabolismofthealcoholsandaldehydesderivedfromtheoxidationofalkanes-烷烴氧化產(chǎn)生的醇醛的分解代謝1.末端氧化產(chǎn)物

烷烴末端氧化產(chǎn)生脂肪酸乙醇脫氫酶（ADH）醛不同的乙醇脫氫酶降解不同的烷烴2.次末端氧化產(chǎn)物烷烴末端氧化產(chǎn)生仲醇ADH酮Aerobicdegradationofalkanes-烷烴的有氧降解Metabolismofthealcoholsandaldehydesderivedfromtheoxidationofalkanes-烷烴氧化產(chǎn)生的醇醛的分解代謝一些菌種包含幾種不同的ADH，這樣可以用來分解不同的醇類。eg1.針對伯醇和仲醇，假單胞菌butanovora最少用四種不同的ADH。eg2.醋酸鈣不動桿菌HO1-N則至少有兩種ADH一種對正葵醇表現(xiàn)出活性，另一種則對十四醇表現(xiàn)活性。Anaerobicdegradationofalkanes-烷烴的厭氧降解烷烴的厭氧降解是烴類在環(huán)境中的循環(huán)中重要的一步。厭氧降解指在嚴格厭氧環(huán)境下，細菌降解烷烴不依靠氧氣，而是將硝酸鹽和硫酸鹽作為電子受體。厭氧降解的過程要比有氧降解過程慢，且細菌對可利用的烷烴的要求更加嚴苛。（eg.strainBuS5只能降解丙烷和丁烷,etc.）β氧化代謝氧化的一個長鏈脂肪酸通過連續(xù)周期的反應在每一步的脂肪酸是縮短形成含兩個原子碎片移除乙酰輔酶A。Organizationofalkane-degradationgenes-烷烴降解基因不同的烷烴降解菌對烷烴的降解有很大差異。P.putidaGPo1OCT質粒編碼的烷烴降解基因集中于兩個操縱子上，對許多細菌來說，這種降解途徑顯然是通過水平轉移的。如果一個細菌中有多個烷烴羥化酶，那么通常，這些基因位于細菌染色體的不同位置上。此外，這些或遠或近的基因的表達上會出現(xiàn)重疊。Regulationofalkane-degradationpathways-烷烴降解途徑的調控烷烴降解基因的誘導（induction）可以為適應細菌所處的環(huán)境和生理條件而進行調整。1.Differentialregulationofmultiplealkanehydroxylases-烷烴羥化酶調控的多樣性2.Productrepression-產(chǎn)物抑制作用3.Cataboliterepressioncontrol-代謝抑制Convertinge