Pyruvat im Stoffwechsel Pyruvat ist zentrales Produkt von Glycolyse, Entner-Duderoff-Weg und Phosphoketolaseweg. Es wird auf vielfältige Weise weiter umgesetzt.

Pyruvat im Stoffwechsel

Pyruvat im Stoffwechsel Reduktion zu Laktat (Milchsäurebakterien) - Oxidation zu Acetyl-CoA + CO2 mit NAD+ (Pyruvatdehydrogenase, alle Aerobier, Eingangsreaktion für den Citratzyklus) - Oxidation zu Acetyl-CoA + CO2 mit Ferredoxin (Pyruvat-Ferrodoxin-Oxidoreduktase, viele Anaerobier, z.B. Clostridien) - Spaltung zu Acetyl-CoA und Ameisensäure (Pyruvat-Formiat-Lyase, Anaerobier, „Ameisensäuregärung“, und Enterobacteriaceae, die die Ameisensäure überwiegend weiter in H2 + CO2 spalten.)

Pyruvat im Stoffwechsel Drei Strategien, um aus Pyruvat Acetyl-CoA zu machen: CH3COCOOH + CoASH + NAD+  CH3COSCoA + NADH + CO2 CH3COCOOH + CoASH + 2Fd  CH3COSCoA + FdH2 + CO2 CH3COCOOH + CoASH  CH3COSCoA + HCOOH (Fd=Ferredoxin)

Pyruvat-Ferredoxin-Oxidoreduktase Das reduzierte Ferredoxin kann (Potential -420 mV) H+ zu H2 reduzieren. Die Hydrogenase enthält mehrere „Schwefel-Eisen-Zentren“ der Typen Fe2S2 und Fe4S4.

Hydrogenase in Clostridien

Pyruvat -Dehydrogenase Die Pyruvatdehydrogenase ist ein riesiger Enzymkomplex aus 24 Untereinheiten Pyruvatdecarboxylase, 12 Dihydrolipoyl-Transacetylase und 12 Dihydrolipoyl-Dehydrogenase.

Pyruvat -Dehydrogenase Die Pyruvatdecarboxylase übernimmt unter CO2-Abspaltung einen Hydroxyethylrest auf Thiaminpyro-phosphat und überträgt ihn auf das Liponsäureamid der Transacetylase. Dabei wird das Liponamid reduziert, der C2-Rest oxidiert, die Bindung ist daher eine energiereiche Thioesterbindung. Die Transacetylase überträgt den Acetylrest auf CoA, das reduzierte Liponamid wird mittels NAD+ wieder oxidiert.

Mechanismus der Pyruvat-Decarboxylase

Alkoholische Gärung Hefe besitzt nur die Pyruvat-Decarboxylase und setzt das entstehende Acetaldehyd frei. Mit dem NADH der Glycolyse wird es zu Ethanol reduziert: Alkoholische Gärung. Hefe gewinnt daher trotz Bildung von Acetaldehyd/Ethanol aus der Glucose 2 ATP, anders als die heterofermentativen Milchsäurebakterien!!

Liponsäureamid (“Thioctsäure”) (oxidierte Form)

Alkoholische Gärung Bei den Bakterien produziert Sarcina ventriculi Ethanol wie die Bäckerhefe über die Glycolyse. Zymomonas mobilis (wichtig für die Produktion des Agavenschnapses Pulque, verträgt mehr Ethanol als S. cerevisiae - technisch interessant) produziert das Pyruvat über den Entner-Duderoff-Weg, dann folgen wieder Pyruvat-Decarboxylase und Alkohol-Dehydrogenase. Bei einigen Clostridien und Enterobacteriaceen entsteht Ethanol als Nebenprodukt durch Reduktion von Acetyl-CoA. Heterofermentative Milchsäurebakterien produzieren Ethanol aus Acetylphosphat bei Wachstum auf Hexosen.

Alkoholische Gärung Neben Ethanol produziert Hefe (leider) auch die „Fuselalkohole“ wie n- und Iso-Propanol, 2-Butanol, Isoamylalkohol. Die Vorstufen stammen überwiegend aus dem Abbau verzweigter Aminosäuren (Val, Leu, Ile).

Propionsäuregärung und Propionibakterien Propionibakterien (eigene Gattung, coryneforme unbewegliche grampositive Stäbchen, Anaerobier, vertragen Spuren von Sauerstoff) erzeugen aus Pyruvat Propionsäure und Essigsäure. Auch Lactat, das von anderen Mikroorganismen (Lactobacillen - Käseproduktion) ausgeschüttet wurde, wird zu Propionat. Dabei wird CO2 eingebaut, wie Wood und Werkman 1936 entdeckten. Diese Wood-Werkman-Reaktion stellte sich später als Schlüsselreaktion bei der Gluconeogenese heraus.

Methyl-Malonyl-CoA-Weg Durch den CO2-Einbau entsteht aus Pyruvat Oxalacetat (Methylmalonyl-CoA-Carboxytransferase), das in einer Art „reversem Citratcyclus“ über Malat (Malat-Dehydrogenase), Fumarat (Fumarase, Wasserabspaltung zur Doppelbindung), Succinat (Fumarat-Reduktase, durch den Elektronentransport wird ein ATP gebildet, „Fumarat-Atmung“) zu Succinyl-CoA (Succinyl-CoA:Propionyl-CoA-Transferase) wird. Das Vitamin B12-Enzym Methyl-Malonyl-CoA-Mutase verschiebt einen (Methylen-CoA-) Rest zum Methylmalonyl-CoA, das* dann decarboxyliert zu Propionyl-CoA, aus dem schließlich Propionat entsteht.

Methyl-Malonyl-CoA-Weg *Weil die Mutase L-Methylmalonyl-CoA bildet und die Propionyl-CoA Carboxylase mit D-Methylmalonyl-CoA arbeitet, ist noch eine Methylmalonyl-CoA Epimerase (auch Methylmalonyl-CoA Racemase genannt) beteiligt. Das gilt auch für die Gegenrichtung, mit der auch wir Menschen Propionat aus ungradzahligen Fettsäuren und Methylmalonyl-CoA aus verzweigtkettigen Aminosäuren in den Citratcyklus einschleusen – oder zur Gluconeogenese verwenden. Darum sind Valin, Isoleucin und Methonin glucogene Aminosäuren.

Vitamin B12 B12 ist das komplexeste Vitamin. Es kann ausschließlich von Bakterien und Archaeen synthetisiert werden. In der Mutase-Reaktion ist es als Adenosylcobalamin beteiligt. Außerdem kann es als Methylcobalamin Methylreste transferieren (bei uns mit der Methionin-Synthase), und, nur bei Prokaryonten, mit Dehalogenasen Halogenatome aus organischen Molekülen entfernen.

Vitamin B12 Die C-Co-Bindung spaltet sich homolytisch, das Radikal entreißt dem Substrat ein Wasserstoffatom, ein Rest vom benachbarten C wandert (hier C=O-SCoA, pretty in pink), das H wird dort wieder eingesetzt: H ist mit Nachbar-Rest ausgetauscht.

Methyl-Malonyl-CoA-Weg Fumarat-Atmung: Bei beiden Redoxreaktionen wird NADH eingesetzt. Das höhere Redoxpotential gegenüber FADH2 (bei Fumarat-reduktase vs. Succinat-Dehydrogenase, die im Citratcyclus die Rückreaktion katalysiert) ermöglicht den Aufbau eines Protonengradienten und damit ATP-Bildung (keine Substratkettenphosphorylierung, sondern eben eine Atmung!!)

Methyl-Malonyl-CoA-Weg Besonders bei diesem Weg ist die optimale Kopplung verschiedener Schritte. Die Carboxylierung über biotingebundenes CO2 erfordert Energie, ebenso das Anhängen von CoA. Hier wird das CO2 direkt von der Methyl-Malonyl-CoA Decarboxylierung im biotingebundenen Zustand übernommen, und das CoA wird energieneutral vom Propionyl-CoA übertragen.

Methyl-Malonyl-CoA-Weg Bei beiden Redoxreaktionen wird NADH eingesetzt. Das höhere Redoxpotential gegenüber FADH2 ermöglicht den Aufbau eines Protonengradienten und damit ATP-Bildung (keine Substratkettenphosphorylierung!!)

Methyl-Malonyl-CoA-Weg Neben Propionibakterien (z.B. P. acnis) machen auch Clostridium propionicum und einige andere Bakterien Propionsäuregärung.

Methyl-Malonyl-CoA-Weg Bilanz: Bei der Umwandlung von Pyruvat in Propionsäure werden zwei NADH oxidiert. Bei der Bildung des Pyruvats, egal ob durch die Glycolyse oder aus externem Lactat, entsteht aber nur ein NADH. Dadurch kann ein weites Pyruvat (wohl über die Pyruvat-Ferrodoxin-Oxidoreduktase) zu Acetyl-CoA (> Acetyl-Phosphat > ATP) und CO2 umgesetzt werden. Durch dieses CO2 kommen die Löcher in den Käse (z.B. Emmentaler)