Die Bedeutung der “feedback”-Hemmung der Threonin-Desaminase für die Synthese von Valin und Leucin

Abstract

In Arthrobacter strain 23 the allosteric insensitivity of threonin deaminase caused by mutation resulted in derepressed formation of the enzymes of the isoleucine-valine-leucine pathway. Derepression was also observed, when wild type cells were incubated in the presence of α-oxobutyrate. In both cases isoleucine was overproduced and excreted. As growth experiments indicated the excess of α-oxobutyrate in the medium caused endogenous valine and leucine deficiency and a transient inhibition of growth. Derepressed formation of the isoleucinevaline biosynthetic enzymes resulted in relief of growth inhibition.

The transient inhibitory effect of α-oxobutyrate has been traced back to substrate competition at the first enzyme common to the isoleucine and valine pathway, acetohydroxy acid synthase. Due to the low K _m of the enzyme for α-oxobutyrate this substrate is preferentially converted. As proven by gaschromatographical measurements of acetoin and acetylethyl carbinol produced in enzyme (acetohydroxy acid synthase) assays with varied substrate concentrations, relatively low concentrations of α-oxobutyrate are able to suppress the formation of α-acetolactate completely. These results explain the transient inhibitory effect of α-oxobutyrate on the growth of bacteria.

Zusammenfassung

In Arthrobacter Stamm 23 führte die durch Mutation verursachte allosterische Unempfindlichkeit der Threonin-Desaminase zur dereprimierten Bildung der Enzyme im Isoleucin-Valin-Leucin-Biosyntheseweg. Derepression erfolgte auch, wenn Wildtypzellen in Gegenwart von α-Ketobuttersäure inkubiert wurden. In beiden Fällen wurde Isoleucin überproduziert und ins Kulturmedium ausgeschieden. Wie aus Wachstumsexperimenten hervorging, verursachte der Überschuß an α-Ketobuttersäure im Medium primär einen Valin- und Leucin-Mangel, der zu einer vorübergehenden Wachstumshemmung führte. Durch die dereprimierte Bildung der Enzyme im Isoleucin-Valin-Biosyntheseweg konnte die Wachstumshemmung überwunden werden.

Der vorübergehende Hemmeffekt der α-Ketobuttersäure ließ sich auf eine Konkurrenz der Substrate am ersten gemeinsamen Enzym im Isoleucin-Valin-Biosyntheseweg, der Acetohydroxysäure-Synthase, zurückführen. Wegen des niedrigen K _m-Wertes für α-Ketobuttersäure wird dieses Substrat vom Enzym bevorzugt umgesetzt. Durch gaschromatographische Bestimmungen der Acetoin- und Acetyläthylcarbinol-Bildung in Enzymtests mit variierten Substrat-Konzentrationen konnte nachgewiesen werden, daß relativ geringe Konzentrationen an α-Ketobuttersäure genügen, um die α-Acetolacetat-Bildung vollständig zu unterdrücken. Diese Ergebnisse erklären die durch α-Ketobuttersäure verursachte vorübergehende Wachstumshemmung bei Bakterien.