Weinsäureabbau bei Milchsäurebakterien

Summary

The decomposition of tartrate was only observed in four strains of Lactobacillus plantarum and one strain of L. brevis among 78 different strains of lactic acid bacteria of the genera Pediococcus, Leuconostoc and Lactobacillus. The enzyme decomposing tartrate is inducible in both organisms. In L. plantarum the induction is prevented by glucose but not by mannitol. The endproducts of the anaerobic metabolism of one mol of tartrate were 1.5 mol CO₂, 0.5 mol acetic and 0.5 mol lactic acid with L. plantarum and 1.33 mol CO₂, 0.67 mol acetic acid and 0.3 mol succinic acid with L. brevis when resting cells or cell free extracts were used. As the enzymes were very unstable, no substantial purification could be achieved; dialysis, gel chromatography or precipitation with ammonium sulphate led to rapid inactivation. Therefore crude extracts had to be used for the investigation of the enzymatic mechanism. NAD or NADH₂ are essential for the decomposition of tartrate. However, a large surplus of NADH₂ reduces or prevents the production of CO₂ by cell free extracts and results in an increased formation of lactic or succinic acid, depending on the organism. Oxalacetic acid could be proven to be an intermediate metabolite. Using possible intermediates of the pathway of tartrate decomposition, the following sequences of reactions were demonstrated. In the homofermentative lactic acid bacterium L. plantarum tartrate is converted to oxalacetic acid (by tartrate dehydrase) which is decarboxylated to pyruvic acid (by oxalacetic decarboxylase). Half of the pyruvate is oxidised to CO₂ and acetic acid (probably by the pyruvic-dehydrogenase-system), the other half of pyruvic acid is reduced to lactic acid (by lactate dehydrogenase). In the heterofermentative L. brevis tartrate is also converted to oxalacetic acid, but only two thirds of the oxalacetic acid are decarboxylated to pyruvic acid (spontaneously or by oxalacetic decarboxylase), the remaining third of oxalacetic acid is reduced to succinic acid via malic and fumaric acids. Pyruvic acid is completely oxidised to acetic acid and CO₂. — The tartrate decomposing systems of the homofermentative strain (L. plantarum) and the heterofermentative strain (L. brevis) differ in the metabolic pathway, the inactivation by oxygen, the effect of 2-mercaptoethanol, the influence of glucose, the stereospecifity, and the pH-optimum.

Zusammenfassung

Von 78 verschiedenen Stämmen der Gattungen Pediococcus, Leuconostoc und Lactobacillus vermochten vier Stämme der Species L. plantarum und ein Stamm von L. brevis Weinsäure umzusetzen. Bei beiden Organismen ist das Weinsäure abbauende Enzymsystem induzierbar. Die Induktion wird bei L. plantarum durch Glucose, nicht aber durch das ebenfalls vergärbare Mannit gehemmt. Mit ruhenden Zellen und zellfreien Extrakten wurden die Endprodukte des anaeroben Weinsäureabbaus bestimmt. Infolge der Instabilität der Enzyme konnte nur mit Rohextrakten gearbeitet werden. Je Mol Weinsäure werden von L. plantarum 1,5 Mol CO₂, 0,5 Mol Essigsäure und 0,5 Mol d,l-Milchsäure, von L. brevis 1,33 Mol CO₂, 0,67 Mol Essigsäure und ca. 0,3 Mol Bernsteinsäure gebildet. Oxalessigsäure wurde bei beiden Organismen als Zwischenprodukt nachgewiesen. Die Umsetzung von Weinsäure durch zellfreie Rohextrakte wird durch NAD oder NADH₂ gefördert; ein Überschuß von NADH₂ verhindert oder verringert die CO₂-Entwicklung und führt zur vermehrten Bildung von Milchsäure oder Bernsteinsäure. Zum Nachweis des Abbauweges wurde eine Reihe von möglichen Zwischenprodukten untersucht. Danach ergibt sich für den Abbau der Weinsäure durch das homofermentative Milchsäurebakterium L. plantarum folgender Reaktionsverlauf: Nach Dehydratisierung von Weinsäure zu Oxalessigsäure (Weinsäure-Dehydratase) wird diese quantitativ zu Brenztraubensäure decarboxyliert (Oxalessigsäure-Decarboxylase). Die Hälfte der Brenztraubensäure wird — wahrscheinlich durch das Pyruvat-Dehydrogenase-System — zu CO₂ und Essigsäure oxydiert, die andere Hälfte der Brenztraubensäure wird zu Milchsäure (Lactat-Dehydrogenase) reduziert. Der Weinsäureabbau durch den heterofermentativen L. brevis zeigt folgenden Reaktionsverlauf: Die durch Dehydratisierung entstandene Oxalessigsäure wird zu zwei Drittel zu Pyruvat decarboxyliert (spontan oder Oxalessigsäure-Decarboxylase). Pyruvat wird quantitativ zu Essigsäure und CO₂ oxydiert. Das restliche Drittel Oxalessigsäure wird über Äpfelsäure, Fumarsäure zu Bernsteinsäure reduziert. Das Weinsäure abbauende System des homofermentativen Stammes (L. plantarum) unterscheidet sich im Reaktionsablauf, in der Sauerstoffempfindlichkeit, der Einwirkung von 2-Mercapto-äthanol, dem Einfluß von Glucose, der Stereospezifität und dem pH-Optimum der zellfreien Extrakte von demjenigen des heterofermentativen L. brevis.