2,3-Butandiol-Gärung

Grundprinzip und Endprodukte

Die 2,3-Butandiol-Gärung ist ein Weg, Zucker unter anoxischen Bedingungen, also ohne Sauerstoff, zur Energiegewinnung abzubauen. Sie kommt bei einigen fakultativ anaeroben Bakterien vor, besonders bei Gattungen der Enterobakterien. Charakteristisch ist, dass größere Mengen 2,3-Butandiol entstehen.

Wichtige Endprodukte sind Kohlenstoffdioxid (CO₂), 2,3-Butandiol, Ethanol und Formiat, das Anion der Ameisensäure. Formiat kann vollständig oder teilweise zu molekularem Wasserstoff (H₂) und CO₂ gespalten werden. Daneben entstehen oft geringe Mengen Lactat und Acetat. Im Vergleich zur Gemischten Säuregärung werden deutlich weniger Säuren, aber mehr Gase gebildet. Die Butandiolgärung ist neben der Gemischten Säuregärung eine der beiden Formen der Ameisensäuregärungen.

Abbauweg und Stoffbilanz

Hexosen werden meist über die Glykolyse zu Pyruvat abgebaut; dabei entsteht ATP durch Substratkettenphosphorylierung. Zu einem kleinen Teil erfolgt der Abbau über den Entner-Doudoroff-Weg (ED-Weg) ebenfalls bis zu Pyruvat. Währenddessen wird NAD⁺ zu NADH reduziert. Die späteren Gärungsschritte reoxidieren NADH wieder zu NAD⁺, damit Glykolyse oder ED-Weg weiterlaufen können.

Wie stark die einzelnen Wege genutzt werden, kann variieren; deshalb unterscheiden sich die Mengenverhältnisse der Endprodukte. Für Klebsiella aerogenes, ehemals Enterobacter aerogenes, wurde pro Mol Glucose gemessen:

Glucose → 0,03 Lactat + 0,01 Acetat + 0,70 Ethanol + 0,66 Butandiol + 0,18 Formiat + 1,72 CO₂ + 0,36 H₂.

Bildung von Butandiol und Gasen

Zwei Moleküle Pyruvat kondensieren zunächst zu Acetyllactat. Dabei wird CO₂ frei; die Reaktion katalysiert eine Thiaminpyrophosphat-abhängige Acetolactatsynthase. Anschließend führt eine Acetyllactatdecarboxylase eine weitere Decarboxylierung durch. Es entsteht Acetoin. Eine Butandiol-Dehydrogenase reduziert Acetoin unter Verbrauch von NADH zu 2,3-Butandiol.

Die zwei Decarboxylierungen erklären die starke CO₂-Bildung. Aus zwei Pyruvat-Molekülen, starken Säuren mit einem pKₛ-Wert von jeweils 3,7, entstehen zwei Moleküle CO₂ mit pKₛ = 6,3 und das neutrale Butandiol. Das Medium wird dadurch schwächer angesäuert als bei der Gemischten Säuregärung.

Pyruvat kann außerdem durch die nur unter anoxischen Bedingungen gebildete Pyruvat-Formiat-Lyase (PFL) unter Einbeziehung von Coenzym A in Acetyl-CoA und Formiat gespalten werden. PFL ersetzt unter diesen Bedingungen die Pyruvatdehydrogenase. Formiat wird meist ausgeschieden. Bei einem geeigneten Elektronenakzeptor wird es während der Fumaratatmung durch eine membranständige Formiat-Dehydrogenase zu CO₂ oxidiert; die Elektronen werden auf Menachinon übertragen. Wenn dies nicht möglich ist und der pH-Wert sinkt, spaltet eine cytosolische Formiat-Hydrogen-Lyase Formiat in CO₂ und H₂. So werden Reduktionsäquivalente als Wasserstoffgas freigesetzt und die Ansäuerung wird abgeschwächt.

Weitere Produkte und Bedeutung

Aus Acetyl-CoA kann über Phosphotransacetylase zunächst Acetylphosphat entstehen. Eine Acetatkinase bildet daraus Acetat und erzeugt dabei ATP durch Substratkettenphosphorylierung. Bei der 2,3-Butandiol-Gärung ist die Acetatbildung jedoch vernachlässigbar.

Alternativ reduziert eine Coenzym-A-abhängige, bifunktionelle Alkoholdehydrogenase Acetyl-CoA unter Verbrauch von zwei Molekülen NADH zu Ethanol. Acetaldehyd wird dabei nicht als Zwischenprodukt freigesetzt; ATP entsteht nicht. Auch Pyruvat kann durch eine D-Lactatdehydrogenase zu D-Lactat reduziert werden und dadurch NAD⁺ regenerieren. Im Unterschied zur Milchsäuregärung entsteht das D-Isomer; auch seine Bildung ist vernachlässigbar.

Der Abbauweg ist ein taxonomisches Merkmal zur Identifizierung von Bakterien, besonders Enterobakterien. Nachgewiesen wird das charakteristische Zwischenprodukt Acetoin mit der Voges-Proskauer-Reaktion. Im Gegensatz zu Enterobakterien mit Gemischter Säuregärung fällt die Methylrot-Probe negativ aus; die erhöhte CO₂-Bildung ist volumetrisch bestimmbar. Die Gärung findet sich bei den meisten Arten der Gattungen Enterobacter, Klebsiella, Serratia und Erwinia. In der Lebensmittelindustrie ist Acetoin bedeutsam, weil es bei manchen Milchsäurebakterien durch Oxidation zu Diacetyl wird, einer Hauptaromakomponente der Butter.