Mikrobiologiczne przemiany bezazotowej materii organicznej i związków organicznych.

Skrobia

Skrobia jest głównym materiałem zapasowym roślin. Zwykle występuje

w postaci kulistych, soczewkowatych lub jajowatych granul o wyraźnie

warstwowej budowie. Skrobia roślinna składa się z glukanów — amylozy

(15 do 27%) oraz amylopektyny. Amyloza jest rozpuszczalna bez

pęcznienienia w gorącej wodzie i jest odpowiedzialna za typowe niebieskie

zabarwienie w reakcji z jodyną. Zbudowana jest z helikalnie ułożonych,

nierozgałęzionych łańcuchów reszt D-glukozy połączonych 1,4-α-glikozydowo.

W jednym łańcuchu występuje 200-500 jednostek. Amylopektyna

pęcznieje w wodzie, a przy podgrzewaniu tworzy klej skrobiowy. W reakcji

z jodyną daje zabarwienie od purpurowego do brązowego. Również jest

poli-l,4-α-D-glukozą, lecz, tak jak glikogen, ma rozgałęzienia w pozycjach

1,6 przy mniej więcej co 25 reszcie glukozy. Oprócz tego zawiera reszty

fosforanowe, jak również jony wapnia i magnezu. Skrobia z różnych źródeł różni się rodzajem rozgałęzień, liczbą jednostek w łańcuchu oraz

właściwościami.

Skrobię można przeprowadzić do glukozy w drodze kwaśnej hydrolizy

lub enzymatycznie. Występują trzy rodzaje enzymatycznej degradacji

glukanów: 1) fosforoliza, 2) hydroliza, 3) transglikozylacja.

Fosforoliza. Przekształcenie skrobi, glikogenu i podobnych wielocukrów

do glukozo-1-fosforanu jest katalizowane przez α-l,4-glukanofosforylazę

(fosforylazy). Chociaż reakcja jest odwracalna, przebiega ona wewnątrzkomórkowo

jedynie w katabolizmie wielocukrów i nie ma znaczenia dla

syntez. Fosforylacja rozpoczyna się od wolnego nieredukującego końca

łańcucha amylozy, z uwolnieniem kolejnych reszt glukozo-1-fosforanu.

W przypadku amylopektyny fosforoliza zatrzymuje się przy rozgałęzieniach

w pozycji 1,6 i postępuje dalej dopiero po rozszczepieniu tych

ostatnich przez amylo-l,6,-glukozydazę. Fosforylazy odgrywają ważną rolę

w aktywowaniu i wykorzystywaniu wewnątrzkomórkowych wielocukrów

zapasowych (glukanów).

Hydroliza. Wielocukry wewnątrz komórki są rozszczepianie hydrolitycznie

przez amylazy. α-Amylaza występuje u roślin, zwierząt i drobnoustrojów.

Szybko upłynnia ona skrobię, równocześnie atakując wiele wiązań

1,4-glikozydowych, łącznie z wiązaniami w środku łańcucha (jest zatem

nazywana również endoamylazą). Uwalnia ona maltozę, glukozę oraz

oligomery zawierajÄ…ce od 3 do 7 reszt glukozy. Z powodu szybkiej

degradacji struktury makrocząsteczkowej lepkość roztworu oraz jego

zdolność wchodzenia w reakcję z jodyną również szybko maleją,

z równoczesnym stopniowym pojawieniem się cukrów ulegających

fermentacji (glukoza, maltoza, maltotrioza). W obecności enzymów

odcinających rozgałęzienia, jak pullulanaza lub izoamylaza, zachodzi

również degradacja dekstryn

β-amylazy występują przede wszystkim w roślinach (np. w jęczmieniu, pszenicy), lecz

również w bakteriach. W przeciwieństwie do α-amylazy, przejawiają aktywność od wolnych

nieredukujących końców makrocząsteczki. Ich działanie na skrobię prowadzi do szybkiej

akumulacji cukrów z zachowaniem zdolności reagowania z jodem. Hydroliza zatrzymuje się

w miejscach rozgałęzień, a pozostające reszty noszą nazwę granicznej β-dekstryny. Gdy

miejsca rozgałęzień ulegną enzymatycznemu rozszczepieniu, następuje całkowite przekształcenie

substratu do maltozy, która z kolei na zewnątrz komórki może być rozkładana przez

maltazę. W obecności odpowiednich permeaz maltoza i inne oligomery są transportowane

do wnętrza komórki i tam rozszczepiane fosforolitycznie.

Transglikozylacja. Schardinger odkrył w podłożach zawierających skrobię,

w których hodowano Bacillus macerans, pewne związki o charakterze

krystalicznym. Składają się one z pierścieniowo zamkniętych łańcuchów

reszt glukozy połączonych wiązaniami α-l,4-glikozydowymi. Pierścienie

tych α-, β- lub y-cyklodekstryn składają się z sześciu, siedmiu lub ośmiu

reszt glukozy i powstają ze skrobi w wyniku działania transglikozylaz.

Zarówno grzyby, jak i bakterie wytwarzają α-amylazy. Zdolność

rozkładania skrobi przez zewnątrzkomórkowe enzymy amylolityczne jest

wśród drobnoustrojów szeroko rozpowszechniona; trudno mówić o mikroflorze

swoiście degradującej skrobię. Wiele grzybów glebowych wytwarza duże ilości amylaz, a preparaty tych enzymów są produkowane na skalę

przemysłową z wykorzystaniem Aspergillus oryzae, A. niger i A. wentii.

Na przykład, Taka-amylaza i Taka-diastaza to przemysłowe, nie oczyszczone

preparaty otrzymywane z hodowli A. oryzae, które hydrolizują

skrobię do glukozy. Wśród bakterii do aktywnych producentów a-amylaz

można zaliczyć niektóre gatunki z rodzaju Bacillus {Bacillus macerans,

B. polymyxa, B. subtilis), kilku przedstawicieli rodzaju Pseudomonas oraz

niektóre promieniowce. Enzymy wytwarzane przez B. stearothermophilus

i B. licheniformis można przez krótki czas ogrzewać w 100°C bez utraty

przez nie aktywności. Niektóre termofilne gatunki Clostridium, jak

Clostridium thermosulfurogenes i C. thermohydrosulfuricum, również

wydzielają ciepłostałe α-amylazy i pullulanazy. Ponieważ drożdże produkujące

alkohol nie wydzielają α-amylaz, skrobia rozkładana jest do cukru

przez dodatek amylaz zawartych w słodzie lub uzyskanych z Aspergillus

oryzae.

W warunkach beztlenowych, w glebach nasyconych wodą i świeżo

wzbogaconych węglowodanami, skrobia jest rozkładana przede wszystkim

przez sacharolityczne bakterie z rodzaju Clostridium. Ponieważ bakterie

te wiążą azot cząsteczkowy, beztlenowy rozkład bogatego w wielocukry

materiału roślinnego może prowadzić w glebie do nagromadzenia dużych

ilości azotu.

Celuloza

Celuloza stanowi podstawowy składnik materiału roślinnego i powstaje

w większych ilościach niż jakakolwiek inna substancja. Mniej więcej

połowa biomasy powstającej w fotosyntezie to celuloza. Resztki roślinne

w glebie składają się (przeciętnie) w 45% do 90% (bawełna) z celulozy,

która ma zatem — obok dwutlenku węgla — ważne znaczenie w obiegu

węgla.

Celuloza składa się z łańcuchów utworzonych z jednostek β-D-glukopiranozy połączonych

wiÄ…zaniem 1,4-glikozydowym. Liczba reszt glukozy tworzÄ…cych jednÄ… czÄ…steczkÄ™ celulozy

waha się od 3 500 u bakterii Acetobacter xylinum, 14 000 u roślin, do 25000 u zielenicy

Valonia. PodstawowÄ… jednostkÄ… tworzÄ…cÄ… celulozÄ™ nie jest jednak glukoza, lecz disacharyd

celobioza. Celuloza ma charakter częściowo krystaliczny, to jest strefy krystaliczne przeplatają

siÄ™ w niej ze strefami amorficznymi. Strefy krystaliczne wykazujÄ… zdecydowany pleomorfizm;

celuloza I (naturalna celuloza) i celuloza II (bawełna merceryzowana) różnią się ułożeniem

łańcuchów glukozy w sieci krystalicznej. Duża wytrzymałość mechaniczna oraz nierozpuszczalność

celulozy wynikają, na poziomie molekularnym, z obecności między- i wewnątrzcząsteczkowych

mostków wodorowych. Te pierwsze łączą ze sobą pojedyncze łańcuchy.

Pojedyncze łańcuchy są stabilizowane przez wewnątrzcząsteczkowe mostki wodorowe (dwa

na każdą resztę glukozy). W ten sposób powstaje dwuwymiarowa sieć mostków. Silne

związki między poszczególnymi poziomami sieci wynikają z sił Van der Waalsa (celuloza

I) lub z mostków wodorowych (celuloza II), co prowadzi do powstania sieci trójwymiarowej.

Enzymatyczne rozszczepienie celulozy jest katalizowane przez celulazÄ™.

Badania przeprowadzone na grzybach wykazały, że system celulazy

składa się z co najmniej trzech enzymów. 1. Endo-β-1,4-glukanazy

atakują wiązania β-1,4 wewnątrz cząsteczki, wytwarzając długie łańcuchy

o wolnych końcach. 2. Egzo-β-l,4-glukanazy odcinają disacharyd celobiozę

od końców łańcuchów celulozy. 3. β-glukozydazy hydrolizują celobiozę

do glukozy.

Regulacja syntezy celulozy zachodzi albo przez katabolicznÄ… represjÄ™, albo

w drodze indukcji substratowej przez celobiozę, kiedy w sposób konstytutywny

wytwarzana jest celulaza. Stężenia celobiozy powodujące indukcję lub

represję różnią się u poszczególnych organizmów. Najogólniej, małe

stężenia celobiozy mają aktywność indukującą, a duże hamującą. W dodatku,

na poziomie enzymatycznym celobioza może również być kompetetycyjnym

inhibitorem. Sama celuloza, będąc nierozpuszczalna w wodzie, nie

wpływa bezpośrednio na syntezę i może oddziaływać na nią jedynie

pośrednio przez celobiozę powstającą w wyniku degradacji łańcuchów.

Tłumaczy to pozorne działanie indukujące krystalicznej celulozy.

Degradacja w warunkach tlenowych. W dobrze nawietrzanych glebach

celuloza jest rozkładana i wykorzystywana przez drobnoustroje tlenowe

(grzyby, miksobakterie i inne bakterie), a w warunkach beztlenowych

— przez bakterie, kilka beztlenowych grzybów oraz pierwotniaki

Grzyby odgrywajÄ… znaczÄ…cÄ… rolÄ™ w degradacji celulozy w warunkach

tlenowych. Przeprowadzają one ten proces skuteczniej niż bakterie

w kwaśnych glebach oraz tam, gdzie celuloza jest inkrustowana ligniną

(drewno). Wyróżniają się tu gatunki z rodzajów Fusarium i Chaetomium.

Inne gatunki celulolityczne to Aspergillus fumigatus i A. nidulans, Botrytis

cinerea, Rhizoctonia solani, Trichoderma viride, Chaetomium globosum

i Myrothecium verrucaria. Trzy ostatnie gatunki są używane do wykazywania

aktywności celulolitycznej, np. do badania środków impregnacyjnych

stosowanych na tkaninach i okrywach w celu zapobiegania szkodom ze

strony drobnoustrojów celulolitycznych. Grzyby te wydzielają celulazy,

które można wyizolować zarówno z grzybni, jak i podłoża hodowlanego.

Cytophaga i Sporocytophaga to bakterie najłatwiejsze do wyizolowania

spośród tlenowych bakterii celulolitycznych; osiąga się to stosując

hodowle wzbogacające w płynnym podłożu. Niewiele wiadomo o wykorzystywaniu

i wstępnej degradacji celulozy przez bakterie śluzowe, gdyż

nigdy nie wykazano zewnątrzkomórkowej celulazy ani wstępnych produktów

rozszczepienia celulozy. Komórki bakteryjne przytwierdzają się do

włókna celulozy tak, że ich oś podłużna jest równoległa do osi włókna.

Wydaje się, że hydrolizują celulozę tylko wtedy, gdy są z nią w bezpośrednim

kontakcie i natychmiast wchłaniają produkty jej hydrolizy.

Oprócz gatunków należących do Cytophaga zdolność wzrostu na celulozie

wykazują również bakterie śluzowe wytwarzające ciała owocowe, należące

do rodzajów Polyangium, Sorangium i Archangium.

Zdolność wzrostu na celulozie jako substracie jest dość częsta u wielu

tlenowych bakterii uważanych za „wszystkożerne". Niektóre z nich atakują

celulozę jedynie wobec braku innych źródeł węgla. Niektóre bakterie

przypominajÄ…ce Pseudomonas niegdyÅ› zebrano w grupÄ™ Cellvibrio. Dopiero

niedawno opisano gatunek Pseudomonas fluorescens var. cellulosa.

Cellulomonas z kolei należałoby zaliczyć do bakterii z grupy maczugowców.

Niewiele gatunków celulolitycznych opisano wśród promieniowców,

sÄ… to: Micromonospora chalcea, Streptomyces cellulosae, S. sporangium.

Degradacja w warunkach beztlenowych. W warunkach beztlenowych

celulozę rozkładają bakterie mezofilne i termofilne oraz nieliczne grzyby

i pierwotniaki. Termofilna bakteria Clostridium thermocellum rośnie na

prostym podłożu syntetycznym z celulozą lub celobiozą jako substratem

oraz solami amonowymi jako jedynym źródłem azotu. Glukoza oraz wiele

innych cukrów nie są przez nią metabolizowane. Degradację celulozy

poprzedza wydzielanie żółtawej substancji przypominającej karotenoidy,

co zaobserwowano również u innych bakterii celulolitycznych. Zwiększa

to powinowactwo enzymu celulolitycznego do celulozy. Żółte zabarwienie

celulozy jest dobrym wskaźnikiem rozpoczęcia hydrolizy. W przypadku

C. thermocellum opisane powyżej wieloenzymatyczne kompleksy przyjmują

postać tzw. celulosomów o masie cząsteczkowej rzędu kilku

milionów. Produktami fermentacji celulozy są etanol, octan, mleczan,

mrówczan, wodór cząsteczkowy i dwutlenek węgla. Na zewnątrz komórki

celuloza prawdopodobnie jest przekształcana do glukozy. Podobne produkty

powstajÄ… podczas fermentacji celulozy przez mezofilnÄ… bakteriÄ™

Clostridium cellobioparum. DÅ‚ugie laseczki noszÄ…ce nazwÄ™ Bacillus

cellulosae-dissolvens, podobnie jak w przypadku Cytophaga, wydajÄ… siÄ™

ściśle przylegać do włókien celulozy i nie wydzielają one celulazy do

podłoża.

Przekształcanie celulozy w żwaczu. W żwaczu celulozę rozkładają

bakterie beztlenowe, grzyby i pierwotniaki. Głównymi źródłami węg-

lowodanów dla przeżuwaczy jest siano, słoma i trawa. Około 50% suchej

trawy to fruktozany i ksylany, reszta węglowodanów jest w postaci

celulozy. Ten ostatni składnik karmy byłby bezużyteczny dla przeżuwaczy,

gdyby w trakcie ewolucji nie weszły one w symbiotyczny związek

z drobnoustrojami, z których część ma zdolność degradacji celulozy.

Pierwsze dwa odcinki żołądka przeżuwacza, żwacz i czepiec, tworzą dużą komorę

fermentacyjną o objętości od 100 do 250 litrów. Zapewnia ona idealne warunki do wzrostu

licznych drobnoustrojów. Zwierzę zapewnia w tej symbiozie stalą temperaturę od 37°C do

39°C, ciągłą dostawę roztworu mineralnego dobrze zbuforowanego przez dwuwęglan

i fosforan (pH 5,8 do 7,3) (około 100-200 litrów śliny na dobę), okresowe dostarczanie

substratów odżywczych w postaci dobrze rozdrobnionego pokarmu zawierającego celulozę

oraz mechaniczne mieszanie na skutek ruchów żwacza. Żwacz przypomina zatem system

hodowli półciągłej.

Wśród drobnoustrojów w żwaczu dominują pierwotniaki i bakterie.

W 1 ml treści żwacza znajduje się około 105 pierwotniaków, przede

wszystkim orzęsków należących do rodzajów Diplodinium i Entodinium.

Są one wysoce wyspecjalizowane i rzadko występują poza żwaczem.

Stanowią one od 6 do 10% masy zawartości żwacza, a do części tej masy

przyczyniają się wielocukry będące materiałami zapasowymi. Ich rola

w żwaczu nie wydaje się niezbędna do życia organizmu gospodarza.

Z punktu widzenia funkcji, najważniejszymi mieszkańcami żwacza są

bakterie. W 1 ml soku żwacza występuje do 1011 komórek stanowiących

5 do 10% suchej masy jego zawartości. Bakterie swoiste dla żwacza są

ścisłymi beztlenowcami.

Bakterie przeprowadzają polimeryczne węglowodany w pokarmie do

takich prostych związków, jak kwasy tłuszczowe i alkohole. Celuloza,

skrobia, fruktozan i ksylan sÄ… katabolizowane przede wszystkim do

kwasów tłuszczowych. Około 90% pobranej celulozy ulega rozkładowi.

Powstają duże ilości kwasów — przede wszystkim octowy jako główny

produkt (50-70%), propionowy 17-21%), masłowy (14-20%) oraz

mniejsze ilości kwasu walerianowego i mrówkowego. Równocześnie

dziennie powstaje około 900 1 gazu, który składa się w 65% z dwutlenku

węgla, 27% metanu, 7% azotu, 0,18% wodoru oraz śladowych ilości

siarkowodoru. Ponieważ bakterie celulolityczne, wyizolowane w ostatnich

latach z treści żwacza, w warunkach laboratoryjnych wytwarzają te same

kwasy w zbliżonych proporcjach, można sądzić, że kwasy powstające

w żwaczu pochodzą z degradacji celulozy. Do organizmów rozkładających

celulozę w żwaczu należą: gramujemne ziarniaki Ruminococcus albus

i R. flavefaciens, gramujemna, nieruchliwa pałeczka Fibrobacter succinogenes,

która wytwarza głównie octan i bursztynian, Butyrivibrio

fibrisolvens oraz Clostridium cellobioparum.

Brak mleczanu w żwaczu jest przypisywany obecności Veilonella

alcalescens (Micrococcus lactilyticus), która fermentuje mleczan do octanu,

propionianu i dwutlenku węgla. Powstający w trakcie degradacji celulozy

metan tworzy się z kwasów tłuszczowych oraz z wodoru cząsteczkowego

i dwutlenku węgla. Siarkowodór w żwaczu powstaje na

skutek redukcji siarczanu przez Desulfotomaculum ruminis. Selenomonas

ruminantium) fermentuje glukozÄ™ do mleczanu, octanu

i propionianu. Spośród beztlenowych grzybów obecnych w żwaczu

najlepiej jest zbadany Neocallimastix frontalis (Chytridriomycetes). Rozkłada

on celulozę do glukozy, a następnie fermentuje glukozę do octanu,

mrówczanu, etanolu, mleczanu, CO2 i H2.

Pokarm przeżuwaczy w ich naturalnym środowisku na sawannach i stepach jest bardzo

ubogi w azot i białko. Aby zapewnić syntezę białka przez organizmy symbiotyczne

w żwaczu, przeżuwacze wykształciły odpowiedni cykl, tzw. żwaczowo-wątrobowy. Mocznik

powstający w wątrobie, w celu uniknięcia zatrucia amoniakiem, tylko częściowo jest

usuwany z moczem; część poprzez ścianę żwacza oraz z wydzielinami gruczołów

śliniankowych trafia do przedżołądków, stając się tym samym dostępna dla syntezy białka

przez mikroflorę żwacza. Symbioza z drobnoustrojami zamieszkującymi żwacz

czyni zwierzę niezależnym od źródła białka. Wielokrotnie powtarzane doświadczenia

wykazały, że krowy mogą odżywiać się pokarmem bezbiałkowym.

Bakterie dwojako pomagają przeżuwaczom w procesach odżywiania:

kwasy wytwarzane w trakcie katabolicznych przemian węglowodanów są

w żwaczu resorbowane, a masa bakteryjna, przesuwająca się wraz

z zawartością żwacza, jest trawiona w jelicie i wchłaniana. Bakterie

ulegają lizie na skutek aktywności enzymu zwanego lizozymem, który jest

wydzielany przez nabłonek żołądka. Ponieważ bakterie rosnące w żwaczu

wykorzystują azot nieorganiczny, zapewniają one zwierzęciu znaczny

poziom białka.

Twardnienie tłuszczy. Roślinne kwasy tłuszczowe różnią się od tłuszczów

zwierzęcych niskim stopniem nasycenia; zawierają one kwas olejowy,

oleinowy, linolowy, linoleinowy i arachidowy oraz majÄ… rzadszÄ… konsystencjÄ™

(niższy punkt topnienia). U zwierząt nie mających żwacza (świnie,

gryzonie, gęsi) kwasy tłuszczowe pochodzenia roślinnego są pobierane

w jelitach i nie ulegajÄ…c zmianie sÄ… wykorzystywane w tworzeniu tkanki

tłuszczowej. Tłuszcz tych zwierząt ma zatem rzadką konsystencję.

U przeżuwaczy roślinne kwasy tłuszczowe w żwaczu na skutek aktywności

bakterii ulegajÄ… silnemu uwodorowaniu (nasyceniu), po czym kwasy

nasycone są absorbowane z jelita i wbudowywane do tkanki tłuszczowej.

Tłuszcz tych zwierząt (masło, łój) ma gęściejszą konsystencję. Ponieważ

opisane przemiany przeprowadzają bakterie oraz biorąc pod uwagę, że 60

do 90% białka w mięsie wołowym jest również pochodzenia bakteryjnego,

to zjedzenie befsztyka w ostatecznym rozrachunku odbywa siÄ™ kosztem

bakterii, a skonsumowanie kotleta schabowego kosztem roślin stanowiących

karmÄ™.

Lignina

Pod względem ilości lignina, po celulozie i hemicelulozie, jest najważniejszym

składnikiem roślin. Zawartość ligniny w tkance drzewnej wynosi

od 18 do 30% suchej masy. Lignina stanowi inkrustację tkanki roślinnej

i znajduje się we wtórnych lamellach ściany komórkowej. Kompleks

celulozy i ligniny zwany jest lignocelulozÄ…. Lignina jest najwolniej

degradowalnym składnikiem roślin. Stanowi zatem główne źródło wolno

rozkładanych substancji organicznych w glebie, szczególnie kwasów

huminowych.

Pod względem chemicznym lignina nie jest jednorodna, lecz jest bardzo złożonym

związkiem. Złożoność ta nie wynika z dużej liczby różnych monomerów,

ponieważ podstawowe jednostki są pochodnymi fenylopropanowymi, przede wszystkim

alkoholu koniferylowego. Jest ona natomiast spowodowana dużą liczbą rozmaitych wiązań

łączących ze sobą poszczególne monomery. Nieregularna struktura ligniny jest zgodna

z założeniem, że proces enzymatycznej syntezy ligniny ogranicza się do tworzenia rodników

alkoholu koniferylowego. Rodniki te następnie łączą się spontanicznie ze sobą, a charakter

i możliwości tych połączeń zależą od mezomerycznego stanu poszczególnych rodników.

Wyizolowano szereg dimerów i oligomerów alkoholu koniferylowego

będących produktami pośrednimi w syntezie ligniny. Podczas

gdy lignina świerka złożona jest głównie z alkoholu koniferylowego,

lignina drzew liściastych zawiera alkohol koniferylowy i alkohol sinapylowy.

Z kolei ligina przedstawicieli Gramineae składa się z alkoholu

kumarylowego. Różnice w składzie ligniny wyrażają się głównie zawartością

grup metoksylowych: 20,5-21% w ligninie drewna drzew

liściastych, 15-16% w przypadku świerka i 14-15% u przedstawicieli

Gramineae.

Fenylopropanowe jednostki budulcowe w ligninie sÄ… silnie usieciowane

wiązaniami eterowymi i C—C (ryc. 14.5). Wiązania te są niezwykle oporne

na działanie enzymów. U roślin lignina jest nieczynnym produktem

końcowym metabolizmu; nie jest ona ponownie wykorzystywana w procesach

metabolicznych i pełni jedynie funkcje strukturalne. Rozkładana

jest wyłącznie przez drobnoustroje. W porównaniu z celulozą lub

hemicelulozą rozkład ten zachodzi nadzwyczaj wolno. Proces degradacji

ligniny przeprowadzają grzyby niszczące drewno, jak również bakterie

i grzyby glebowe.

Rozkład ligniny. Niektóre grzyby rozkładają ligninę nawet w żywej

roślinie. Wśród postawczaków niszczących drewno można wyróżnić dwie

grupy. Pierwsza to grzyby, które wywołują brunatną zgniliznę zamieniając

drewno w brunatonoczerwonÄ… masÄ™; degradujÄ… one przede wszystkim

celulozowe i hemicelulozowe składniki drewna, pozostawiając nietknięte

polimery fenylopropanowe. Druga grupa to grzyby powodujące białą

zgniliznę drewna zmieniając je w białą masę. Atakują one głównie ligninę

i przez dłuższy czas pozostawiają nietkniętą celulozę. Do grzybów

atakujących przede wszystkim ligninę należą: Polystictus versicolor,

Stereum hirsutum i Phanerochaete chrysosporium. Inne grzyby atakujÄ…

równocześnie ligninę i celulozę (Pleurotus ostreatus, Ganoderma applanatum,

Polyporus adustus, Armillaria mellea). Rozkład drewna przez

czyste kultury grzybów postępuje tak wolno, że eksperymenty tego typu

trwają miesiącami, a nawet latami. Stosując różne metody można wykazać

rozkład ligniny przez przedstawicieli następujących rodzajów: Pholiota,

Clitocybe, Lenzites, Panus, Poria i Trametes).

Jednym z najaktywniejszych grzybów powodujących białą zgniliznę

drewna, wykorzystywanym obecnie jako organizm modelowy w badaniach

nad rozkładem ligniny przez grzyby, jest Phanerochaete chrysosporium.

Rozkłada on ligninę wyłącznie w obecności tlenu i glukozy.

W warunkach beztlenowych degradacja ligniny nie zachodzi. Lignina

jest rozkładana przez kompleks enzymatyczny zwany niegdyś ligninazą.

Na kompleks ten składają się dobrze zbadane peroksydazy, w tym dwie

peroksydazy hemowe; peroksydaza ligninowa i peroksydaza zależna od

manganu. Peroksydazy, aby były aktywne, wymagają H2O2 i katalizują

oksydatywne rozszczepienie eterowych wiązań β-Ο-4 oraz wiązań C—C

w ligninie. Nadtlenek wodoru prawdopodobnie pochodzi z utlenienia

glukozy (pochodzÄ…cej z celulozy) przez oksydazÄ™ glukozowÄ…. Tworzeniu

peroksydaz sprzyja ograniczenie azotu. Ten sposób regulacji syntezy

peroksydazy sprzyja hipotezie, że rozkład ligniny nie ma celu uzyskiwania

energii do metabolizmu, lecz jest ukierunkowany na uzyskiwanie

składników drewna zawierających azot, które inaczej byłyby

niedostępne.

Badania nad wyizolowanymi peroksydazami wykazały, że proces

degradacji rozpoczyna przeniesienie pojedynczego elektronu. Elektron ten

tworzy względnie trwałe aromatyczne rodniki kationowe w szkielecie

ligniny. Te z kolei majÄ… charakter jednoelektronowych utleniaczy aktywnych

w pewnej odległości od enzymu. Rodniki te powodują rozszczepienie

wiązań C—C oraz wiązań eterowych i rozpad szkieletu ligniny do

niskocząsteczkowych związków fenolowych, które z kolei są utleniane

przez oksydazy fenolowe. Zjawisko powstawania rodników pośrednich

w trakcie działania oksydaz jest dobrze znane. Biorąc pod uwagę dużą

liczbę związków fenolowych powstających podczas degradacji kompleksu

ligniny, wątpliwe jest, by jej mechanizm był kiedykolwiek wyjaśniony do

końca. Warto jednak prowadzić dalsze badania nad pośrednim powstawaniem

rodników pełniących rolę w przenoszeniu elektronów katalizowanym

przez oksygenazy.

Nie ulega wątpliwości, że ligninę rozkładają nie tylko grzyby, lecz

również bakterie. Rozkład ten jest jednak tak wolny, że nie ma on

większego znaczenia w porównaniu z innymi procesami metabolicznymi.

Ciągle poszukuje się drobnoustrojów degradujących ligninę lub przekształcających

ją w sposób pozwalający na jej dalsze utlenienie przez inne

mikroorganizmy.

Chityna

Chityna uważana jest za drugi po celulozie najpowszechniej występujący wielocukier na

naszej planecie. Formalnie, chitynę można wyprowadzić z celulozy podstawiając grupę

hydroksy przy drugim atomie węgla glukozy acetylowaną grupą aminową (rozdz. 2.2.4).

Stabilność chityny wynika z wiązań wodorowych między N-acetylowymi grupami bocznymi.

Chityna jest materiałem podtrzymującym w świecie zwierzęcym, gdzie tworzy szkielet

zewnętrzny wielu bezkręgowców. W sposób ciągły jest syntetyzowana również w glebie

przez grzyby, gdyż jest głównym składnikiem wielu workowców i podstawczaków.

Nic więc dziwnego, że bardzo wiele bakterii wodnych i glebowych

wykorzystuje chitynę. Wśród 50 bakterii rozkładających chitynę, wyizolowanych

z gleby uprawnej, znajdują się następujące rodzaje: Flavobacterium,

Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas, Streptomyces, Nocardia

i Micromonospora. Do grzybów degradujących chitynę należą gatunki

Aspergillus, Mucor i Mortierella. W jednym gramie gleby ornej znajduje

się do 106 organizmów zdolnych do rozkładu chityny. Tak duża liczba

tych drobnoustrojów w glebie świadczy o tym, że Chityna może być

zawsze dostępnym substratem. Dodatek drobno sproszkowanej chityny do

gleby powoduje przyśpieszony wzrost promieniowców. Dodatek do

podłoża chityny jako jedynego źródła węgla i azotu tworzy zatem warunki

do selekcji tych organizmów. W warunkach tlenowych Chityna jest

rozkładana przez pewne wyspecjalizowane, bezwzględnie beztlenowe

bakterie chitynolityczne. Warto byłoby poszerzyć wiadomości na temat

degradacji chityny w układzie pokarmowym zwierząt morskich żywiących

się krewetkami i krabami, jak również chityny w osadach.

Chityna jest również rozkładana przez enzymy pozakomórkowe

pochodzące z drobnoustrojów. Enzymy wydzielane przez Streptomyces

griseus rozdzielono na chitynazÄ™ i chitobiazÄ™. Degradacja chityny najprawdopodobniej

polega na równoczesnym ataku chitynazy w wielu

miejscach polimeru, co prowadzi do powstania małych ilości N-acetyloglukozoaminy

oraz przede wszystkim chitobiozy i chitotriozy. Chitobiaza

przeprowadza te ostatnie do monomerów. Drobnoustroje, np. Absidia

coerula, rozkładają chitynę do chitozanu. Związek ten jest poliglukozoaminą

i łatwo powstaje w drodze deacetylacji chityny. W dużych ilościach

jest otrzymywany metodami biotechnologicznymi i znajduje zastosowanie

jako klej, środek opatrunkowy, chelator oraz dodatek do gleby i pokarmu

zwierzęcego.