Растения синтезируют много соединений, содержащих ароматические кольца. Из них в количественном отношении преобладает лигнин, со­ставляющий 20% (по весу) древесины. Способность расщеплять такие соединения с разрывом ароматического кольца обладают многие бакте­рии и грибы. Некоторые псевдомонады растут на среде, содержащей бензоат, быстрее, чем на среде с сахарами. Для быстрого расщепления ароматических веществ необходимо присутствие молекулярного кисло­рода. Пути такого расщепления мы рассмотрим в этом разделе^ Соглас­но новейшим данным, ароматические соединения могут подвергаться также анаэробному разложению, но мы не будем описывать его мета­болические механизмы.

Подготовка к расщеплению кольца. Большинство природных арома­тических соединений расщепляется бактериями сначала до пирокатехи­на (катехола) или протокатеховой кислоты. Расщеплению до пирокате­хина подвергаются многие соединения, у которых в ароматическом кольце имеется либо один заместитель, либо два заместителя в положе­ниях 1 и 2, т.е. такие вещества, как миндальная кислота, фенилаланин, толуол, бензол, фенол, бензойная и салициловая кислоты.

Ароматические вещества с двумя заместителями в положениях 1,3 или 1,4, а также с большим числом замещающих групп (например, 4-ги-дроксибензойная, хинная, ванильная и шикимовая кислоты) расще­пляются с образованием протокатеховой кислоты. Во всех случаях в кольцо вводятся гидроксигруппы. Атомы кислорода для гидрокси-групп доставляет молекулярный кислород. В случае нефенольных аро­матических веществ необходимая для разрыва кольца 1,2-дигидрокси-бензольная  структура  создается  путем  двойного   гидроксилирования.

Например, незамещенное кольцо бензола подвергается гидроксилирова-нию с помощью диоксигеназы (двойной гидроксилазы) до цис-1,2-диги-дро-1,2-дигидроксибензола, а затем дегидрируется (реароматизируется) с образованием пирокатехина.

Фенольные ароматические соединения гидроксилируются моноокси-геназами. Один атом О молекулярного кислорода включается в суб­страт, а другой восстанавливается до воды. Донорами водорода могут служить пиридиннуклеотиды.

Заместители в ароматическом кольце часто (но не всегда) отще­пляются до разрыва кольца. Например, атомы хлора, нитрогруппы и сульфогруппы могут быть заменены на гидроксильные группы. Али­фатические боковые цепи могут изменяться и укорачиваться самым раз­личным образом или же остаются без изменений.

Разрыв кольца. Разрыв ароматического кольца осуществляют диок­сигеназы. При этом в субстрат включается молекулярный кислород. Разрыв происходит либо между двумя соседними гидроксильными группами, либо между гидроксилированным углеродом и соседним не-гидроксилированным. Из участвующих в процессе ферментов лучше всего изучены ферменты, выделенные из разных видов Pseudomonas. На

рис. 14.10 показаны наиболее важные типы разрыва ароматического кольца.

Орто-расщепление. Разрыв кольца между двумя соседними гидрокси-лированными атомами С (орто-расщепление, или интрадиольное расще­пление) приводит к образованию дикарбоновой кислоты. По-видимому, сначала происходит присоединение молекулы 0₂ к гидроксильным группам соседних атомов углерода с образованием циклической переки­си, а затем в результате внутримолекулярной перегруппировки меж­углеродная связь разрывается и образуется 1^ис,цис-муконовая кислота:

Пирокатехин расщепляется с помощью opmo-пирокатехазы (кате-хол-1,2-диоксигеназы), а протокатеховая кислота-при участии протока-техат-3,4-диоксигеназы. Образующиеся при этом промежуточные про­дукты -цис,цис-муконоъа.я кислота и 3-карбокси-цис,^ис-муконовая кис­лота-в ходе дальнейшего катаболизма проходят через этап общего для них обоих продукта - 3-оксоадипиновой кислоты. Последняя активи­руется СоА-трансферазой и расщепляется с образованием сукцинил-СоА и ацетил-СоА, которые подвергаются дальнейшим превращениям в Ходе промежуточного обмена (рис. 14.10).

Mema-расщепление. Разрыв ароматического кольца между гидрокси-лированным и негидроксилированным атомами углерода (мета-расще­пление, или экстрадиольное расщепление) тоже катализируется диокси-геназами. Продукты расщепления в этом случае - полуальдегиды 2-гидроксимуконовой кислоты (рис. 14.11), которые затем превращают­ся (в зависимости от замещений) в пируват, ацетальдегид, оксалоацетат, фумарат, ацетоацетат, сукцинат или иные промежуточные продукты, во­влекаемые в промежуточный метаболизм.

Проведенные исследования показали, что пути распада ароматиче­ских соединений чрезвычайно разнообразны. Варьировать могут и ста­дии, предшествующие их расщеплению, и характер самого расщепления. У некоторых бактерий даже от фазы и условий роста зависит, будут ли образовываться в клетках ферменты орто- или мета-расщепления. Не­которые псевдомонады расщепляют ароматические соединения, под­вергшиеся распаду до пирокатехина, по opmo-пути, а расщепленные до протокатеховой кислоты-по мета-пути.

Конвергентные пути распада. В расщеплении ароматических соедине­ний участвует достаточно большое число различных реакций. Разные пути распада в конце концов сходятся (конвергируют), приводя к обра­зованию либо пирокатехина, либо протокатеховой кислоты (рис. 14.12 и 14.13). Поэтому на примере распада ароматических соединений можно изучать регуляцию конвергирующих  путей катоболизма (разд. 16.1.1).

Нафталин, антрацен и другие полиароматические соединения. Неко­торые бактерии способны расщеплять полициклические углеводороды, из которых мы упомянем лишь нафталин, антрацен и фенантрен. Если выращивать бактерии на среде, содержащей одно из этих соединений, то можно часто наблюдать выделение в культуральную жидкость сали­циловой кислоты; по-видимому, здесь происходят превращения, уже рассмотренные выше на примере расщепления моноциклических соеди­нений (рис. 14.13).

Подводя итоги, можно сказать, что природные углеводороды ча­стично   или   полностью   окисляются  микроорганизмами.   При   благо-

приятных условиях даже асфальт подвергается разложению, хотя и очень медленно. В почве, населенной микроорганизмами, окисляется даже графит.

Загрязнение среды нефтью. В случае загрязнения почвы нефтью сле­дует учесть, что в нестерильных аэрируемых почвах углеводороды бы­стро и полностью разлагаются. Только при сильном загрязнении и в отсутствие доступа воздуха или в тех случаях, когда нефть проникает в почву на большую глубину, возникает опасность, что она будет долго сохраняться здесь и в конце концов попадет в питьевую воду. Нефть,

разлившаяся по поверхности моря, вначале представляет большую опасность для флоры и фауны, но затем тоже разлагается бактериями. При этом, однако, остаются алканы с длинной цепью, полиароматиче­ские углеводороды и смеси веществ, напоминающие асфальт; все эти вещества долгое время не поддаются биологическому воздействию.

Чужеродные вещества. Чужеродные вещества (ксенобиотики), в осо­бенности различные ядохимикаты (фунгициды, гербициды, инсектициды и нематоциды), после обработки ими почвы могут накапливаться в ней, так как при этом не развиваются микроорганизмы, способные разла­гать и «обезвреживать» эти вещества.

Ароматические соединения с такими заместителями в кольце, как га­логены, сульфогруппы и нитрогруппы, разлагаются крайне медленно и могут противостоять воздействию микробов на протяжении многих лет. Одно из самых стойких веществ-дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ). Неопасны, но, видимо, совершенно не поддаются микробному разложению пластмассы типа полиэтилена, полипропилена и т.п. Со­держащиеся в них пластификаторы постепенно окисляются, но поли­мерный скелет остается.

Кометаболизм. По-видимому, некоторые соединения расщепляются микроорганизмами только совместно с хорошо утилизируемыми суб­стратами. Такое превращение какого-либо вещества, которое само по себе не может быть использовано, в присутствии так называемого ко-субстрата, т.е. вещества, используемого клетками для роста, получило название кометаболизма или соокисления. Явление кометаболизма мо­жет быть полезно, например, при очистке промышленных сточных вод, содержащих плохо поддающиеся разложению синтетические продукты, вместе со сточными водами из населенных пунктов в тех же самых во­доочистных сооружениях.