W tlenowej, mikrobiologicznej degradacji arenów można wyróżnić trzy, wspólne dla większości szlaków degradacji związków aromatycznych, etapy.
I. W pierwszym zachodzą zmiany dotyczące podstawników pierścienia aromatycznego. Najważniejsze z nich to reakcje hydroksylacji, gdyż warunkiem niezbędnym do dalszego rozkładu związków aromatycznych, jest obecność w pierścieniu dwóch grup hydroksylowych w położeniu orto lub para względem siebie [68, 108, 216]. Związki aromatyczne, które posiadają już jedną grupę hydroksylową, jak na przykład chlorofenole, wymagają udziału 10 monooksygenaz zależnych od NAD(P)H [EC 1.14.X.X]. Są to enzymy włączające jeden atom tlenu cząsteczkowego do pierścienia aromatycznego, podczas gdy drugi atom tlenu jest redukowany do cząsteczki wody. Proces hydroksylacji benzenu, toluenu, naftalenu i innych związków, których struktura pierwotna nie zawiera grupy hydroksylowej, przebiega najczęściej z udziałem dioksygenaz hydroksylujących [EC 1.14.12.X]. Wprowadzają one dwa atomy tlenu cząsteczkowego do pierścienia aromatycznego, z równoczesnym utlenieniem NAD(P)H. Produktem tej reakcji jest cis-1,2-dihydro-1,2- dihydroksybenzen, który następnie jest przekształcany do katecholu przez dehydrogenazę [17, 49, 68, 89, 207, 219].
Ze względu na hydroksylację pierścienia aromatycznego, tlenowy metabolizm związków aromatycznych przebiega zwykle przez jeden z czterech głównych intermediatów: katechol, kwas protokatechowy, kwas gentyzynowy lub hydroksychinon, co przedstawiono na rysunku 2. Katechol jest produktem pośrednim degradacji benzenu, fenolu, kwasu benzoesowego i ich pochodnych.
II. Drugi etap degradacji arenów polega na rozszczepieniu pierścienia aromatycznego. Otwarcie pierścienia aromatycznego katalizowane jest przez dioksygenazy rozszczepiające. Enzymy te rozcinają jedno z wiązań węgiel-węgiel pierścienia poprzez przyłączenie cząsteczki tlenu i wytworzenie nienasyconych kwasów alifatycznych. Wyróżniono dwie główne rodziny enzymów rozszczepiających pierścień aromatyczny: dioksygenazy intradiolowe i ekstradiolowe, otwierające pierścień aromatyczny z jednoczesnym włączeniem dwóch atomów tlenu cząsteczkowego do substratu. Dioksygenazy intradiolowe, czyli enzymy szlaku orto, których produktem działania jest kwas cis,cis-mukonowy lub jego pochodne, katalizują rozszczepienie wiązania węgiel-węgiel pomiędzy dwoma hydroksylowanymi atomami węgla usytuowanymi w pozycji orto względem siebie w pierścieniu aromatycznym. Rozszczepienie ekstradiolowe meta zachodzi między hydroksylowanym atomem węgla w pierścieniu a sąsiadującym węglem niehydroksylowanym. W wyniku tej reakcji, katalizowanej przez dioksygenazy ekstradiolowe, powstaje semialdehyd kwasu 2-hydroksymukonowego lub jego pochodne [29, 59, 173, 219].
Początkowo sądzono, iż nie ma ogromnych różnic pomiędzy dioksygenazami intradiolowym a ekstradiolowymi. Kolejne lata badań wykazały jednak, iż enzymy te charakteryzują się całkowicie odmienną strukturą i mechanizmem działania. Ponadto dioksygenazy ekstradiolowe wydają się być enzymami o znacznie szerszym spektrum działania niż dioksygenazy intradiolowe. Te ostatnie do działania bezwzględnie wymagają obecności dwóch grup hydroksylowych w pozycji orto względem siebie.
W przeciwieństwie do typowych substratów dioksygenaz ekstradiolowych, związki te są albo dihydroksylowane w pozycji para lub/i posiadają grupę hydroksylową w pozycji orto względem grup karboksylowej lub aminowej [207]. Dlatego też niektórzy autorzy wydzielają dioksygenazy katalizujące taki sposób rozszczepienia jako trzecią rodzinę dioksygenaz [192].
III. Trzeci etap degradacji związków aromatycznych związany jest z utlenieniem powstałego po rozszczepieniu pierścienia aromatycznego, alifatycznego łańcucha do intermediatów cyklu kwasów trójkarboksylowych, co przedstawiono na rysunku 3 i 4. Produktem rozszczepienia pierścienia aromatycznego katecholu i jego pochodnych 14 Rys.4 Szlaki degradacyjne produktów rozszczepienia pierścienia aromatycznego katecholu [5, 52, 197 na drodze orto jest kwas cis,cis-mukonowy. Związek ten podlega cykloizomeryzacji do formy laktonowej. Ponowna izomeryzacja prowadzi do powstania β-ketoadypinolaktonu, z którego pod wpływem działania hydrolazy, a następnie transferazy powstaje aktywny adypinian. Jego rozszczepienie prowadzi do utworzenia produktów szlaku orto, czyli bursztynylo-CoA oraz acetylo-CoA, substratów cyklu Krebsa. Produkt rozszczepienia ekstradiolowego, jakim jest semialdehyd kwasu 2-hydroksymukonowowego lub jego pochodne, wchodzi w szlaki metabolizmu pośredniego poprzez pirogronian, aldehyd octowy, szczawiooctan, fumaran i inne intermediaty, zależnie od rodzaju powstałych kwasów alifatycznych [5, 52, 207, 216]
Wyszukiwarka