Kann E. coli aus Acetat Pyruvat herstellen?

Zusammenfassung

Bakterien benötigen mehrere Wege/Stoffwechselreaktionen, um Acetat in Pyruvat umzuwandeln – oder besser gesagt in den gluconeogenen Weg –, aber der Schlüssel ist der Glyoxylatzyklus oder Shunt . Die Reaktionsfolge ist:

• 2-Acetat → 2-Acetyl-CoA (Acetyl-CoA-Synthetase)
• 1 Acetyl-CoA + Oxalacetat → Citrat → Isocitrat (Eintritt in den Krebs-TCA-Zyklus)
• Isocitrat → Glyoxylat + Succinat (Glyoxylat-Shunt)
• Succinat → Oxalacetat (Krebs TCA-Zyklus)
• 1 Acetyl-CoA + Glyoxylat → Malat (Glyoxylat-Shunt)
• Malat → Oxalacetat (Krebs TCA-Zyklus)

Somit ergänzen die beiden Acetatmoleküle das ursprüngliche Oxalacetatmolekül, das verwendet wurde, damit eines von ihnen in den Tricarbonsäure(TCA)-Zyklus eintritt, mit – zusätzlich – einem zweiten Oxalacetatmolekül. Dies ist verfügbar für:

• Oxalacetat → Phosphoenolpyruvat (PEP-Carboxykinase der Glukoneogenese)

Das Phosphoenolpyruvat (PEP) könnte im Prinzip in Pyruvat umgewandelt werden:

• Phosphoenolpyruvat → Pyruvat (Pyruvatkinase der Glykolyse)

Obwohl diese Reaktionsfolge normalerweise verwendet würde, um Glucose usw. über Gluconeogenese zu erzeugen.

Die Verbindung zwischen dem TCA-Zyklus und dem Glukosestoffwechsel

Zusätzlich zur Oxidation von Acetyl-CoA kann der Krebs-Tricarbonsäurezyklus (TCA-Zyklus) als Quelle bestimmter metabolischer Zwischenprodukte für andere Stoffwechselwege dienen. Wie unten gezeigt, kann Oxalacetat (OAA) in einer Reaktion, die Teil der glukoneogenen Umwandlung von Pyruvat in PEP ist, in Phosophoenolpyruvat (PEP) umgewandelt werden.

Obwohl bestimmte Bakterien Acetat in Acetyl-CoA in einer durch Acetyl-CoA-Synthetase katalysierten Reaktion umwandeln können , führt der TCA-Zyklus per se keine Nettoumwandlung von Acetyl-CoA zu OAA durch, da ein Molekül OAA benötigt wird, damit AcetylCoA in den TCA-Zyklus eintreten kann und muss regeneriert. Tatsächlich oxidiert der TCA-Zyklus Acetyl-CoA zu Kohlendioxid. Der TCA-Zyklus an sich kann nur solche Zwischenprodukte in OAA und PEP umwandeln, die direkt nach der Acetyl-CoA-Stufe in den Zyklus eintreten.

Der Glyoxylat-Shunt

Das Vorhergehende erklärt, warum die meisten Tiere Fett nicht in Glukose umwandeln können . (Acetyl-CoA kann durch Pyruvat-Dehydrogenase nicht in Pyruvat umgewandelt werden, da diese Reaktion effektiv irreversibel ist.) Allerdings können Pflanzen und bestimmte Bakterien (einschließlich Escherichia coli ) diese Einschränkung mit Hilfe des Glyoxylat-Shunts überwinden. Ein online verfügbarer Text, der dies erklärt, ist Berg et al. , in einem Abschnitt mit dem Titel „Der Glyoxylatzyklus ermöglicht es Pflanzen und Bakterien, auf Acetat zu wachsen“ . Um dies zu verdeutlichen, habe ich unten mein eigenes Diagramm vorbereitet.

Dabei geht es um die Umrechnung:

oxaloacetate + 2 acetyl CoA → 2 oxaloacetate

dh die Nettoumrechnung von

2 acetyl CoA → oxaloacetate

Die Glyoxylat-Shunt-Reaktionen werden dem TCA-Zyklus mit einer rosa Überlagerung auferlegt. Ein Molekül Acetyl-CoA kondensiert mit OAA, um auf normale Weise in den TCA-Zyklus einzutreten. Das aus Citrat gebildete Isocitrat wird jedoch nicht decarboxyliert, sondern in Glyoxylat und Succinat umgewandelt. Das Succinat – eine Dicarbonsäure – regeneriert das ursprüngliche OAA-Molekül, das verwendet wird, damit Acetyl-CoA in den TCA-Zyklus eintreten kann.

Was ist mit dem Glycoxylat, das in der Isocitrat-Lyase-Reaktion produziert wird? Es reagiert mit einem zweiten Acetyl-CoA-Molekül , um die Dicarbonsäure Malat in einer Reaktion zu produzieren, die durch Malat-Synthase, das zweite einzigartige Enzym des Shunts, katalysiert wird. Dieses Zwischenprodukt des TCA-Zyklus wird in OAA umgewandelt. Diese zweite OAA ist ein Nettogewinn aus dem Stoffwechsel und kann in PEP umgewandelt werden, wie im ersten Diagramm angegeben.

Das Poster fragt nach der Herstellung von Pyruvat aus Acetat. Technisch möglich ist dies durch die Pyruvatkinase-Reaktion. Allerdings sehe ich den Sinn dahinter nicht ganz. Normalerweise würde ich erwarten, dass PEP entlang des glukoneogenen Wegs zu Glukose geleitet wird.

Coda: Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase

Das Poster schlägt eine Reihe von Reaktionen vor, um Acetat in Pyruvat umzuwandeln, wobei die letzte von Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase katalysiert wird. Obwohl die Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase (EC 1.2.7.1)-Reaktion reversibel ist, dient sie im Allgemeinen dazu, Pyruvat zu Acetyl-CoA zu oxidieren . Es wird als Alternative zur Pyruvatdehydrogenase von Bakterien unter anaeroben Bedingungen verwendet (da es kein NAD ⁺ benötigt ), und dies wird als seine Rolle in E. coli und in noch größerem Ausmaß in obligaten Anaerobiern wie Clostridium angesehen .

Die vom Poster vorgeschlagene Umkehrreaktion, die die Synthese von Pyruvat aus Acetyl-CoA beinhaltet , ist auf Autotrophe beschränkt