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Stoffwechselzyklen

Vom Anorganischen zum Organischen GEORG FUCHS MIKROBIOLOGIE, FAKULTÄT BIOLOGIE, UNIVERSITÄT FREIBURG

Die Assimilierung von anorganischem Kohlenstoff in organisches Material markiert den Anfang der Evolution. Dieser Vorgang ist immer noch der bedeutendste Syntheseprozess der Biologie und beruht auf sehr verschiedenen Mechanismen. The assimilation of inorganic carbon into organic material marks the beginning of evolution. This event is still the most important synthetic process in biology and is based on quite different mechanisms. ó Die Fixierung von Kohlenstoff aus anorganischen Verbindungen in organische ist der grundlegende Biosyntheseprozess der Biologie. Dieser Prozess war auch die Voraussetzung für die Entstehung des Lebens aus anorganischer Materie. Die Jetztzeit wird beherrscht durch die grünen Pflanzen. Diese nutzen in den Chloroplasten die Assimilationsleistung von endosymbiotischen Cyanobakterien. Deren CO2-Fixierungsprozess ist als Calvin-Benson-Zyklus bekannt, das CO2bindende Enzym ist die Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase. In Prokaryoten existieren noch fünf andere Wege der CO2-Fixierung [1, 2], von denen die strikt anaeroben Wege dem Urstoffwechsel näher stehen als der Calvin-Benson-Zyklus und die in der Erdgeschichte vermutlich eine große Rolle gespielt haben. Warum diese Vielfalt? Was sind die Vorteile? Welcher war der vermutete Urstoffwechsel?

Stoffwechselzyklen Stoffwechselzyklen sind lange bekannt: Citrat-, Glyoxylat-, Calvin-Zyklus, ... In Freiburg entdeckte 1932 Hans Adolf Krebs den ersten, den Ornithin-Zyklus zur Harnstoffsynthese [3]. Er erkannte die Nützlichkeit des Zyklus-Prinzips, bei dem ein Empfängermolekül durch kovalente Verknüpfung ein kleines Molekül aufnimmt, wobei das Produkt für weitere Umsetzungen geeignet ist. Das Empfängermolekül wird in einem zyklischen Prozess zurückgebildet. Auch bei der Entstehung des Lebens könnte ein Zyklus Pate gestanden haben: AnorgaDOI: 10.1007/s12268-011-0057-8

nisches CO2 (oder CO?) wird an einen reaktiven Träger fixiert, der die Reduktion des gebundenen CO2 (Oxidationsstufe +4) auf die Stufe der organischen Verbindungen (mittlere Oxidationsstufe 0) ermöglicht. Der Prozess kann sich wiederholen. Um nachhaltig zu sein, muss der freie Träger regeneriert werden. Dabei wird ein organisches Molekül mit mehreren C-Atomen freigesetzt, das Ausgangsverbindung für weitere Reaktionen ist [4]. Dieses Zyklus-Prinzip gilt auch für die autotrophen CO2-Fixierungsmechanismen der Biologie.

Carboxylasen, der Schlüssel zum Problem Die Bindung von CO 2 an ein organisches Molekül ist wegen der geringen Reaktionsfreudigkeit von CO2 ein Problem. Geeignete CO 2 -Empfängermoleküle sind selten, und entsprechend begrenzt ist die Anzahl der Carboxylasen, welche das reaktionsträge CO2 oder HCO3– kovalent mit einem solchen Startermolekül verknüpfen (Abb. 1). Beispiele sind Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase oder Phosphoenolpyruvat-Carboxylase. Acetyl-Coenzym A (CoA), Propionyl-CoA- und Pyruvat-Carboxylase nutzen Biotin, um HCO3– mithilfe von ATP als Carboxybiotin zu aktivieren. Die Carboxylierung eines Substrats ist wiederum nicht so ungewöhnlich wie z. B. die Reduktion von N2, und so erklärt sich die Vielfalt der verwirklichten Möglichkeiten. Eine besondere Strategie besteht darin, CO2 auf der Stufe von C1-Verbindungen (CO oder HCOOH, CH2O, CH3OH) schritt-

weise zu reduzieren und zwei C 1 -Verbindungen zur aktivierten Essigsäure zu vereinen, wie im Wood-Ljungdahl-Weg (Abb. 1). Dieser direkte Weg liegt bei methanogenen und acetogenen Bakterien nahe, weil sie in ihrem Energiestoffwechsel ohnehin CO2 bis zur Stufe von Methanol (CH3_) umsetzen. In allen Fällen sind Reduktionsschritte nötig, um den gebundenen Kohlenstoff zu reduzieren.

Wie schafft die Biologie ein Redoxpotenzial von –0,5 Volt? Die meisten anaeroben CO2-Fixierungsreaktionen sind gleichzeitig mit einem Reduktionsschritt verbunden. Beispiele sind Formiat-Dehydrogenase (CO 2 + 2 [H] → HCOOH), CO-Dehydrogenase (CO2 + 2 [H] → CO + H2O), Pyruvat-Synthase (CO2 + 2 [H] + Acetyl-CoA → Pyruvat + CoA) und 2-Oxoglutarat-Synthase (CO2 + 2 [H] + SuccinylCoA → 2-Oxoglutarat + CoA) (Abb. 1). Diese O 2-labilen Enzyme benötigen als Elektronenlieferanten ein reduziertes Ferredoxin (= 2 [H]) mit einem Redoxpotenzial von – 0,5 Volt. Die Frage, wie ein solch negatives Redoxpotenzial erzeugt werden kann, konnte erst kürzlich beantwortet werden. Eine Lösung besteht in membrangebundenen Hydrogenasen, die H 2 (H2/2 H +; E°⬘: – 0,414 Volt) zur Reduktion von Ferredoxin verwenden und durch ein H+-Potenzial angetrieben werden [5]. Eine analoge Reaktion wird vom membrangebundenen Rnf-Komplex katalysiert, der die Reduktion von Ferredoxin durch NADH unter Ausnutzung eines Na+-Gradienten ermöglicht [6]. Eine andere Lösung ist Elektronen-Bifurkation (Gabelung) [7]: Die Oxidation von NAD(P)H (NAD(P)H/ NAD(P)+; E°⬘: –0,32 Volt) erlaubt die Reduktion von „negativem“ Ferredoxin (E°⬘: –0,4 bis –0,5 Volt), wenn gleichzeitig ein zweites NAD(P)H ein „positives“ Ko-Substrat (E°⬘: – 0,1 Volt oder positiver) reduziert. Vermittler ist enzymgebundenes FADH 2, das schrittweise über die Semichinonstufe FADH (FADH2/FADH; E°⬘: –0,4 Volt, Reduktion von Ferredoxin) zu FAD (FADH/FAD; E°⬘: – 0,09 Volt, Reduktion des Ko-Substrats) oxidiert wird. BIOspektrum | 04.11 | 17. Jahrgang

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˚ Abb. 1: Schematische Darstellung der autotrophen CO2-Fixierungswege, ausgenommen der Calvin-Benson-Zyklus. Alle diese Wege führen zu AcetylCoA. Die Pfeile in Rot markieren O2-empfindliche Schritte. Diese haben entweder ein sehr negatives Redoxpotenzial und benötigen deshalb reduziertes Ferredoxin als Elektronenlieferant; und/oder sie werden von O2-empfindlichen Fe-S-Proteinen katalysiert. Nach der O2-Empfindlichkeit der Prozesse richtet sich ihre Verteilung. Der ursprünglichste autotrophe Weg ist die Totalsynthese von Acetyl-CoA aus zwei CO2 über den Wood-Ljungdahl-Weg, wie er in strikt anaeroben methanogenen Archaea und acetogenen Archaea und Bacteria vorkommt (Weg 6). Die anderen Prozesse sind zyklisch und beruhen auf einer Kombination der verschiedenen Teilprozesse, die von Acetyl-CoA plus zwei CO2 zu Succinyl-CoA und wieder zurück zu Acetyl-CoA führen. Wege 1 und 5: reduktiver Citratzyklus oder Arnon-Buchanan-Zyklus, der in vielen anaeroben oder mikroaeroben Bacteria vorkommt. Wege 1 und 3: Dicarboxylat/4-Hydroxybutyrat-Zyklus in anaeroben Thermoproteales und Desulfurococcales (Archaea) [9]. Wege 2 und 3: 3-Hydroxypropionat/4Hydroxybutyrat-Zyklus in aeroben Sulfolobales (Archaea) [10]. Wege 2 und 4: 3-Hydroxypropionat-Bizyklus in phototrophen Chloroflexi, der einen weiteren Zyklus für die Assimilation von Glyoxylat benötigt.

Regeneration des Akzeptors, Acetyl-CoA als Drehscheibe des Stoffwechsels

lenstoffs ausgehend von Acetyl-CoA ein anderer.

Es gibt viele Wege, um das Empfängermolekül zurückzubilden, welches als Substrat für Carboxylasen dient. Dabei wird gleichzeitig der fixierte Kohlenstoff freigesetzt, in der Regel als Acetyl-CoA, als Drehscheibe des Stoffwechsels [8]. Dies erfordert einen Kreisprozess. Das freigesetzte organische Molekül dient dann der Biosynthese aller Zellbausteine. In den ursprünglichen Anaerobiern funktionierte das Enzym Pyruvat-Synthase als Schleuse des Acetyl-CoA zum Zentralstoffwechsel. In aeroben Prokaryoten kann dieses O2-labile Enzym nicht funktionieren, deshalb ist der aerobe Weg des Koh-

Fünf Alternativen zum Calvin-BensonZyklus In Abbildung 1 werden summarisch die Wege, auf denen Acetyl-CoA gebildet wird, dargestellt. Der reduktive Acetyl-CoA-Weg oder Wood-Ljungdahl-Weg (Abb. 1, Weg 6) führt zur direkten Synthese von Acetyl-CoA durch getrennte Reduktion von zwei Molekülen CO2. Bemerkenswert ist hier die Zwischenstufe Kohlenmonoxid. Die anderen Wege führen im Kreislauf zu Acetyl-CoA zurück. Sie beruhen auf einer Kombination der Prozesse, die aus Acetyl-CoA und zwei CO2 ein Molekül Succinyl-CoA entstehen las-

sen, mit denjenigen Wegen, die von SuccinylCoA zu Acetyl-CoA zurückführen. Die Wege 1 und 5 bilden den reduktiven Citratzyklus oder Arnon-Buchanan-Zyklus, die Wege 1 und 3 den Dicarboxylat/4-Hydroxybutyrat-Zyklus [9], die Wege 2 und 3 den 3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyrat-Zyklus [10] sowie die Wege 2 und 4 den 3-Hydroxypropionat-Bizyklus [11]; dieser erfordert einen zweiten Zyklus (deshalb Bizyklus) zur Assimilation des gebildeten Glyoxylats.

Gibt es einen ursprünglichen anaeroben Synthesebauplan? Es gibt viele Theorien zur präbiotischen Chemie und zum Übergang hin zur organischen Welt, die möglicherweise eine RNA-Welt war. BIOspektrum | 04.11 | 17. Jahrgang

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Die meisten gehen von einer Assimilation vulkanischer Gase aus, unter Mithilfe von Metallkatalysatoren und positiv geladenen Oberflächen. Günter Wächtershäuser postuliert eine Kopplung eines anaeroben Redoxprozesses („Energiestoffwechsel“) an den Biosyntheseprozess („Baustoffwechsel“). Energie wird in Form energiereicher Thioesterbindungen geliefert; diese aktivierten Moleküle sind gleichzeitig für die CO2-Fixierung und anschließende Molekülverlängerung wesentlich [4, 12]. Im idealisierten Bauplan des ursprünglichen anaeroben Zentralstoffwechsels kommen ähnliche Schritte gehäuft vor. Der Weg führt von Acetyl-CoA durch reduktive Carboxylierung zu Pyruvat und von dort weiter bis zu 2-Oxoglutarat (Abb. 2). Alternativ kann 2-Oxoglutarat über Citrat entstehen. Es ist bemerkenswert, dass die geschilderte Reihenfolge der mengenmäßigen Bedeutung der Biosynthesevorläufer in Prokaryoten entspricht, nämlich 29 Prozent AcetylCoA > 21 Prozent Pyruvat > 13 Prozent Oxalacetat > neun Prozent 2-Oxoglutarat. Nur etwa ein Viertel des Stoffflusses geht über Phosphoenolpyruvat und ein Achtel über Triosephosphate hinaus.

Warum so viele Wege? Um es vorweg zu sagen: Es gibt keine besseren und schlechteren Wege. Alle bestehen seit wenigstens einer Milliarde Jahren. Was sind dann ihre Vor- und Nachteile in einem gegebenen Organismus und Lebensraum? Die genetische Grundausstattung eines Bakteriums verträgt sich nicht mit allen denkbaren Wegen; doch erlaubt der horizontale Transfer eine ungeahnte Ausbreitung von Genen, wie man den Stammbäumen der Schlüsselenzyme entnehmen kann. Hier ein paar Argumente für die Vielfalt: • Von den bekannten CO2-Fixierungswegen funktioniert die Hälfte (reduktiver AcetylCoA-Weg, reduktiver Citratzyklus, Dicarboxylat/Hydroxybutyrat-Zyklus) nur bei anaerober oder mikroaerober Lebensweise, bedingt durch die „innewohnende“ Sauerstofflabilität einiger Schlüsselenzyme. Diese anaeroben Strategien, die wohl die ursprünglicheren sind, können unter aeroben Bedingungen nicht funktionieren. Deshalb mussten spätere, O2-resistente Strategien entwickelt werden. • Die anaeroben Wege benötigen viel weniger Energie als die aeroben. Würden Anaerobier die teureren Wege der Aerobier übernehmen, wären sie energetisch benachteiligt. Der energetisch günstigste Weg ist der

burg. Auf sie bin ich stolz, und es freut mich, dass sie dabei ihren eigenen Weg gefunden haben. Dank auch den Geldgebern DFG und Evonik-Degussa. ó

Literatur

˚ Abb. 2: Idealisierter Bauplan des ursprünglichen, anaeroben Zentralstoffwechsels. Die Zahlen geben den prozentualen Anteil der Metabolitflüsse an, wobei alle Metabolitflüsse des Baustoffwechsels zusammen als 100 Prozent gesetzt sind. Gelbe Pfeile: Zentralstoffwechsel; rosa Pfeile: von den zentralen Intermediärverbindungen abführende Biosynthesen.

reduktive Acetyl-CoA-Weg, gefolgt vom reduktiven Citratzyklus. • Ein wichtiger Aspekt ist die Möglichkeit, CO2-Fixierungswege gleichzeitig für die Assimilation von kleinen organischen Molekülen zu verwenden. Beispiele sind Kohlenmonoxid, Formiat, Methanol, Acetat, Propionat, 3-Hydroxypropionat und die vielen Verbindungen, die über Acetyl-CoA oder Propionyl-CoA abgebaut werden. Diese Verbindungen lassen sich problemlos mit den meisten Wegen assimilieren, aber nicht mit dem Calvin-Benson-Zyklus. • Schließlich lassen sich einige Wege umkehren und dienen dann zur Oxidation von Acetyl-CoA, wenn die Bedingungen es erlauben und erfordern. Beispiele dafür sind der reduktive Acetyl-CoA-Weg und der reduktive Citratzyklus.

Danksagung Mein Dank gilt den Mitarbeitern, die in all den Jahren Stoffwechsel-„Wegebau“ mit mir betrieben haben, in Marburg, Ulm und Frei-

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Korrespondenzadresse: Prof. Dr. Georg Fuchs Mikrobiologie Universität Freiburg Schänzlestraße 1 D-79104 Freiburg Tel.: 0761-2032608 Fax: 0761-2032626 [email protected] www.biologie.uni-freiburg.de/forschung/ mikrobiologie.php

AUTOR Georg Fuchs Jahrgang 1945. Biologiestudium in Freiburg. 1975 Promotion in Bochum bei Prof. Dr. Thauer. 1980 Habilitation in Marburg. 1982 Heisenbergstipendiat. 1982–1994 Ordinarius für Mikrobiologie in Ulm und 1994– 2011 in Freiburg. 1997 LeibnizPreis. 2007 Mitglied der Leopoldina. Arbeiten zum Stoffwechsel von CO2, Acetat und Aromaten. Herausgeber des Lehrbuchs Allgemeine Mikrobiologie.

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