Metabolomanalyse zur Untersuchung der Dynamik im ...

3. Theoretische Grundlagen
In Anwesenheit von Glukose ist der Phosphorylierungsgrad des PTS und damit auch die
c–AMP Konzentration geringer. Dadurch wird die Verstoffwechselung anderer Substrate reprimiert.
Aus entwicklungshistorischer Sicht ist die evolutive Entstehung solcher Substrataufnahmesysteme
sehr aufschlussreich. Die Tatsache, dass die Aufnahme unter Energieverbrauch
erfolgt und damit unter Erniedrigung der energetischen Effizienz des Substrats, ist im Gesamtbild
offenbar kein Nachteil. Der Vorteil, hochwertige Kohlenstoff– und Energiequellen
in geringer Konzentration entgegen des Gradienten aufnehmen zu können, überkompensiert
offenbar die Reduzierung der Energieeffizienz, so dass ein Vorteil für das Gesamtsystem entsteht.
Das deutet darauf hin, dass im mikrobiellen Habitat von E. coli die Schnelligkeit
der Substrataufnahme einen höheren Stellenwert hatte als die Energieeffizienz der Substrataufnahme.
Das Fehlen von alternativen, nicht energieabhängigen Kohlenhydrat Transport–
Systemen für z.B. Glukose unterstreicht dies [179].
3.1.4. Stoffwechsel in E. coli mit Glukose als Substrat
Glukose stellt für E. coli ein bevorzugtes Substrat dar, das selektiv über das PTS–System
aufgenommen wird (Kap. 3.1.3) und als G6P für den zentralen Stoffwechsel zur Verfügung
gestellt wird. Die Metabolisierung von G6P kann über drei verschiedene Stoffwechselwege
erfolgen, die letztlich zu Pyruvat führen. Für E. coli wird die Glykolyse als der
wichtigste Abbauweg beschrieben. Daneben spielt der Pentose–Phosphat–Weg eine große
Rolle, wogegen der Entner–Doudoroff Abbauweg in E. coli unbedeutend zu sein scheint [145].
Das Pyruvat kann dann in den Zitratzyklus eingeschleust und unter Abspaltung des Wasserstoffs
zu CO2 oxidiert werden. Hierbei wird der Wasserstoff auf Koenzyme übertragen.
In der Atmungskette kann dieser Wasserstoff dann zur Erzeugung von Adenosintriphosphat
(ATP) aus Adenosindiphosphat (ADP) durch die Elektronentransportphosphorylierung
eingesetzt werden. E. coli verfügt aber nur über zwei Phosphorylierungsmöglichkeiten
in seiner Atmungskette, d.h. in einer aeroben Kultur können aus dem von reduziertem
Nicotinamid–adenindinukleotid (NADH) bereitgestellten Wasserstoff nur zwei Moleküle
ATP aus ADP regeneriert werden (P/O–Quotient = 2). Für andere Bakterienarten und
Mitochondrien kann jedoch ein P/O = 3 beobachtet werden [145]. Wie schon beim PTS
System beobachtet, scheint dieser Mangel an energetischer Effizienz kein Entwicklungsnachteil
für E. coli zu sein. Vielmehr deutet er wiederum darauf hin, dass der Stoffwechsel von
E. coli in erster Linie nicht durch Energiemangel charakterisiert wird.
Hauptaufgabe der katabolen Abbauwege und des Intermediärstoffwechsels ist die
Bereitstellung von Synthesevorstufen und Energie in Form von ATP für die anabolen
Stoffwechselwege, mit denen dann die Bausteine für die Synthese neuer Biomasse gebildet
werden. Damit der katabole Teil des Stoffwechsels unter stark variierenden Bedingungen
und wechselndem Nährstoffangebot in der Lage ist, die Nachfrage des Anabolismus nach
Synthesevorstufen und Energie zu decken, verfügt der Stoffwechsel nicht nur über einen
einzigen katabolen Stoffwechselweg, sondern kann zwischen den verschiedenen Wegen
flexibel umschalten.
Der Abzweig von Metabolit–Flüssen aus dem Zentralstoffwechsel in einen gentechnisch
verstärkten Produktstoffwechselweg, z.B. 2 PEP + Erythrose-4-phosphat (E4P) für die L–
Phenylalaninbiosynthese, stellt einen besonderen Anspruch an das Stoffwechselnetzwerk, das
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