m i t Escherichia coli - Forschungszentrum Jülich

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Cytoplasmamembran 3.1 Biologische Grundlagen Glucose Glucokinase Glucose Glucose Glucose-6-Phosphat Facilitator Cytoplasma ATP ADP Abb. 3.2: Heterologes Glucoseaufnahmesystem aus Zymomonas mobilis bestehend aus Glucose-Facilitator und Glucokinase niedrig (Km ≈4,1 mmol/l [Weisser 1996]). Nach der Aufnahme wird die Glucose in der Zelle unter ATP-Verbrauch durch eine Glucokinase phosphoryliert. Das Einbringen des Glucose-Facilitators in E. coli mit deletiertem PT-System ermöglicht eine Aufnahme von Glucose [Snoep u. a. 1994], [Weisser u. a. 1995] (siehe Abb. 3.2). Aerober und Anaerober Stoffwechsel Als fakultativ anaerober Organismus kann E. coli Energie aerob durch Atmung oder anaerob durch gemischte Säuregärung gewinnen (siehe Abb. 3.3). Aerob wird Glucose-6-Phosphat über den Fructose-1,6-Bisphosphatweg (Glycolyse) und den Pentosephosphatweg, die zentralen konstitutiven Stoffwechselwege, abgebaut. Ein induzierbarer Weg ist der 2-Keto-3-Desoxy-6-Phosphogluconat-Weg, über den in E. coli Gluconat verstoffwechselt wird [Lengeler u. a. 1999]. Bei der Glycolyse wird Glucose-6-Phosphat über mehrere Zwischenstufen zu Glyceraldehyd-3-Phosphat und über weitere Zwischenstufen unter Bildung von ATP zu Phosphoenolpyruvat (PEP) umgewandelt. Aus PEP wird Pyruvat gebildet, wobei ATP entsteht. Phosphoenolpyruvat und Pyuvat sind Ausgangsintermediate für verschiedene Biosynthesewege. So ist PEP Vorläufermetabolit der Aromatenbiosynthese. Unter Abspaltung von Kohlendioxid wird Pyruvat weiter zu Acetyl-CoA umgewandelt. Acetyl-CoA wird im Tricarbonsäurezyklus (TCS-Zyklus) mit Oxalacetat gekoppelt, woraus Citrat entsteht. Über Dehydrierungs-, Decarboxylierungs- und Oxidationsreaktionen und Bildung von Kohlendioxid entsteht wieder Oxalacetat. Ausgehend vom TCS-Zyklus werden verschiedene Zellbestandteile gebildet. Zum Ausgleich der dazu aus dem TCS-Zyklus entzogenen Intermediate wird Oxalacetat über anaplerotische Reaktionen (Auffüllreaktionen) kontinuierlich regeneriert. Zudem erfolgt über den TCS-Zyklus die Bildung von Energie in Form von ATP. Die bei der Oxidation der Intermediate frei werdenden Elektronen werden auf die Coenzyme NAD und FAD übertragen. In der Atmungskette werden die Reduktionsäquivalente in Form von Elektronen und Wasserstoffprotonen von NADH und FADH auf Sauerstoff übertragen. Über die Elektronentransportphosphorylierung entsteht im Gegenzug ATP. E. coli bildet über Glycolyse, TCS-Zyklus und Atmungskette unter aeroben Bedingungen insgesamt 26 mol ATP pro mol Glucose [Schlegel 1992]. 9
3 Stand des Wissens Glykolyse CO 2 NADH FADH Pck Ppc Malat Fumarat Glucose Glucose-6-Phosphat Fructose-6-Phosphat 1,6-Fructose-Bisphosphat Glycerinaldehyd-3-Phosphat Oxalacetat Succinat PEP Pyruvat ADP NADH ATP PTS Phosphoenolpyruvat ATP Pyk ATP CO2 Pps Pyruvat NAD + NADH Acetyl-CoA Citrat Tricarbonsäurezyklus Acetyl-CoA Glyoxylat ATP CO 2 NADH Isocitrat Succinyl-CoA �-Ketoglutarat CO2 NADH Pentosephosphatweg Ribulose-5-Phosphat Xylose-5-Phosphat Ribose-5-Phosphat Tkt Tkt NAD + Lactat Formiat Seduheptulose-7-Phosphat Erythrose-4-Phosphat Aromatenbiosynthese Anaerober Stoffwechsel Pi CoA ADP ATP NADH + NAD +CoA Acetyl-Phosphat Acetat NAD(P)H CO2 H NADH NAD ADP+P ATP i + H + Tal Acetaldehyd NADH NAD + CO 2+H 2 Ethanol Abb. 3.3: Wichtige Stoffwechselwege in Escherichia coli; aerober und anaerober Stoffwechsel (PEP: Phosphoenolpyruvat, Tal: Transaldolase, Tkt: Transketolase, Pps: PEP- Synthase, Pyk: Pyruvatkinase, Ppc: PEP-Carboxylase, Pck: PEP-Carboxykinase) 10
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5 Einfluss von Glucoseaufnahmesyste
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Literaturverzeichnis [Bailey 1991]
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Literaturverzeichnis [Liu u. a. 200
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