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Authors: Richter, Hanno
Title: Zuckertransport und Regulation des Hexosestoffwechsels bei Oenococcus oeni
Online publication date: 25-Nov-2004
Language: german
Abstract: Das Milchsäurebakterium Oenococcus oeni, welches für den biologischen Säureabbau im Wein eingesetzt wird, verstoffwechselt Hexosen über den Phosphoketolaseweg. Dabei können beträchtliche Mengen Acetat entstehen. Die Ursachen dafür wurden untersucht, insbesondere der Fructosestoffwechsel. Außerdem wurde der Hexosetransport untersucht, über den bei O. oeni noch nichts bekannt war. Die Aufnahme von Hexosen in die Zelle erfolgt mit hoher Affinität (KM=10 µM) über einen Symport mit H+, aber mit sehr niedriger spezifischer Aktivität (Vmax=9 U / g TG). Zusätzlich werden Hexosen mit ausreichender Aktivität über (vermutlich erleichterte) Diffusion in die Zelle transportiert, allerdings nur bei hohen Hexosekonzentrationen. Es wurden Gene gefunden, die für ein Hexose- Phosphotransferasesystem kodieren, welches in O. oeni keine bedeutende Rolle beim Transport spielt, aber vermutlich eine regulative Funktion hat. Zur Bildung von Essigsäure tragen verschiedene Faktoren bei: Der Ethanolweg, der in der heterofermentativen Milchsäuregärung die Reoxidation von NAD(P)H bewerkstelligt, ist durch die niedrige spezifische Aktivität der Acetaldehyddehydrogenase limitiert. Diese Limitierung wird noch verstärkt, wenn die zellulären Gehalte von Coenzym A aufgrund von Pantothensäuremangel niedrig sind. O. oeni umgeht durch Bildung von Erythrit die Limitierung, und Acetylphosphat wird nicht zu Ethanol reduziert, sondern als Acetat ausgeschieden. Bei Cofermentation von Hexosen mit externen Elektronenakzeptoren, wie Fructose, Pyruvat oder Sauerstoff, werden letztere zur Reoxidation von NAD(P)H genutzt, und als Folge wird Acetat ausgeschieden. Der Fluss von Fructose in den Phosphoketolaseweg wird durch das Enzym Phosphoglucoseisomerase verhindert, wenn dieses durch 6-Phosphogluconat gehemmt wird. Als Konsequenz wird Fructose im Mannitweg reduziert, was die Bildung von Essigsäure im Phosphoketolaseweg fördert. Bei niedrigen Wachstums- und Stoffwechselraten, z.B. bei C-Limitierung, ist der Ethanolweg nicht limitierend für den Stoffwechsel, und Hexosen werden über heterofermentative Milchsäuregärung umgesetzt, ohne daß Acetat entsteht. Pyruvat kann gleichzeitig als Elektronenakzeptor und als Energiequelle dienen: O. oeni ist in der Lage, Pyruvat mittels Disproportionierung zu Lactat und Acetat+CO2 zu fermentieren, und dabei Energie zu konservieren (0,5 ATP / Pyruvat).
The heterofermentative lactic acid bacterium Oenococcus oeni is used for malic acid degradation in wine. It ferments hexoses via the phosphoketolase pathway, which can result in production of substantial amounts of acetic acid. The causation for acetate production was investigated, the main focus lying on the fructose metabolism. Furthermore, the uptake of hexoses into the cells was analyzed. The incorporation of hexoses proceeds with high affinity (KM=10 µM) by symport with H+, but with low specific activity (Vmax=9 Units/g dry weight). Additionally, hexoses are transported by (probably facilitated) diffusion, when the hexose concentration is high. Genes were found, which code for a hexose:phosphotransferasesystem. The latter doesn’t play an important role in hexose uptake, but rather has a regulative function. Different factors account for production of acetic acid: The ethanol pathway, which reoxidizes NAD(P)H, is limited by low activity of acetaldehydedehydrogenase. The limitation becomes serious, when cellular contents of Coenzyme A are low, caused by a lack of pantothenic acid. O. oeni compensates the limitation by production of erythritol and conversion of acetyl-phosphate to acetate instead of ethanol. External electron acceptors like fructose, pyruvate or oxygen can take over the reoxidation of NAD(P)H, resulting in acetate production by acetyl-phosphate from the phosphoketolase pathway. Phosphoglucoseisomerase is inhibited by 6-phosphogluconate and limits the flux of fructose into the phosphoketolasepathway. As a consequence more fructose is reduced in the mannitol pathway, promoting an increased acetate production in the phosphoketolase pathway. At low growth- and metabolic rates the ethanol pathway is not limiting for the metabolism, and hexoses are fermented without formation of acetic acid. Pyruvate can serve as electronacceptor and source of energy at the same time: O. oeni is able to disproportionate pyruvate to lactate, acetate and CO2 and to gain 0.5 ATP per molecule pyruvate fermented.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3040
URN: urn:nbn:de:hebis:77-6195
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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