Gemischte Säuregärung

Grundprinzip und Ablauf

Die Gemischte Säuregärung ist ein anoxischer, also ohne Sauerstoff ablaufender Abbauweg für Zucker zur Energiegewinnung. Sie kommt bei einigen fakultativ anaeroben Bakterien vor, besonders bei Enterobakterien. Im Unterschied zur homofermentativen Milchsäuregärung entsteht kein einzelnes Hauptprodukt, sondern ein Gemisch aus Lactat, Acetat, Ethanol, Succinat, Kohlenstoffdioxid (CO₂), molekularem Wasserstoff (H₂) und teils Formiat, dem Anion der Ameisensäure. Sie gehört zu den beiden Formen der Ameisensäuregärungen.

Hexosen werden meist durch Glykolyse zu Pyruvat abgebaut; dabei entsteht ATP durch Substratkettenphosphorylierung, also durch direkte Übertragung einer Phosphatgruppe auf ADP. Zu einem kleinen Teil erfolgt der Abbau über den Entner-Doudoroff-Weg ebenfalls bis Pyruvat. Gleichzeitig wird NAD⁺ zu NADH reduziert. Damit die Zuckerwege weiterlaufen können, muss NADH wieder zu NAD⁺ oxidiert werden. Dafür dienen die später entstehenden oder beteiligten Stoffe Pyruvat, Acetylphosphat, Oxalacetat und Fumarat als Elektronenakzeptoren.

Die Mengen der Produkte hängen von Organismus und Umwelt ab. Für Escherichia coli wurde pro Mol Glucose gemessen: Glucose → 0,84 Lactat + 0,44 Acetat + 0,42 Ethanol + 0,29 Succinat + 0,02 Formiat + 1,88 H⁺ + 0,44 CO₂ + 0,43 H₂. Ein Schlüsselenzym ist die Pyruvat-Formiat-Lyase; sie wird nur unter anaeroben Bedingungen gebildet.

Bildung von Lactat und Succinat

Bei der Bildung von D-Lactat wird Pyruvat durch eine D-Lactatdehydrogenase zu Lactat reduziert. Dabei wird NADH zu NAD⁺ reoxidiert. Das entstehende Lactat ist im Unterschied zur Milchsäuregärung das D-Isomer.

Auch Oxalacetat kann Elektronen aus NADH aufnehmen und dadurch zur Regeneration von NAD⁺ beitragen. Oxalacetat entsteht durch Carboxylierung von PEP, katalysiert durch die Phosphoenolpyruvatcarboxylase (PEPC). Eine Malatdehydrogenase reduziert Oxalacetat zu L-Malat. Dieses wird durch Wasserabspaltung mittels Fumarase zu Fumarat umgewandelt; anschließend reduziert eine Fumaratreduktase Fumarat zu Succinat.

Die Fumaratreduktase ist membrangebunden und überträgt Elektronen aus dem Menachinol-Pool (MQH₂) auf Fumarat. Menachinol entsteht entweder durch eine NADH-Dehydrogenase, die NADH oxidiert und Menachinon (MQ) reduziert, oder möglicherweise durch Elektronen aus einer membranständigen Formiatdehydrogenase. Diese oxidiert extrazelluläres Formiat zu CO₂. NADH-Dehydrogenase beziehungsweise Formiatdehydrogenase transportieren Protonen vom Cytosol nach außen und bauen so eine protonmotorische Kraft Δμ(H⁺) auf. Die Nutzung von Fumarat als reinem Elektronenakzeptor wird auch Fumaratatmung genannt.

Formiat sowie Acetat und Ethanol

Die Pyruvat-Formiat-Lyase (PFL) spaltet Pyruvat unter Beteiligung von Coenzym A in Acetyl-CoA und Formiat. Unter anoxischen Bedingungen ersetzt sie die Pyruvatdehydrogenase und ist das charakteristische Schlüsselenzym der Gärung. Formiat wird größtenteils ausgeschieden. Falls ein geeigneter Elektronenakzeptor vorhanden ist, kann eine membranständige Formiatdehydrogenase es bei der Fumaratatmung zu CO₂ oxidieren; die Elektronen werden dabei auf Menachinon übertragen.

Ist diese Möglichkeit nicht mehr vorhanden und sinkt der pH-Wert des Mediums, wird Formiat nicht mehr ausgeschieden. Dann spaltet eine cytosolische Formiat-Hydrogen-Lyase es in CO₂ und H₂. Die Reduktionsäquivalente werden dabei als Wasserstoffgas freigesetzt. Weil eine starke Säure mit pKₛ = 3,7 zu neutralem Wasserstoff und CO₂ mit pKₛ = 6,3 umgesetzt wird, wirkt dieses Enzym einer weiteren Ansäuerung des Mediums entgegen.

Acetyl-CoA kann zur Energiegewinnung über Phosphotransacetylase in Acetylphosphat überführt werden: Coenzym A wird dabei gegen Phosphat ausgetauscht. Acetatkinase bildet daraus Acetat und erzeugt durch Substratkettenphosphorylierung ATP. Alternativ reduziert eine Coenzym-A-abhängige, bifunktionelle Alkoholdehydrogenase Acetyl-CoA unter Verbrauch von zwei Molekülen NADH zu Ethanol. Acetaldehyd wird hierbei nicht als Zwischenprodukt freigesetzt, und es entsteht kein ATP.

Vorkommen und Bedeutung für die Bestimmung

Die Gemischte Säuregärung wird von den meisten Arten mehrerer fakultativ anaerober Enterobakterien genutzt, darunter Citrobacter, Edwarsiella, Escherichia, Proteus, Providencia, Salmonella, Shigella und Yersinia. Auch einige fakultativ anaerobe Bacillusarten führen diese Gärung aus.

Der Zuckerabbauweg ist ein taxonomisches Merkmal zur Identifizierung von Bakterien, besonders von Enterobakterien. Bei E. coli wird er durch den Nachweis großer Säuremengen erkannt, die den pH-Wert senken. Zur Abgrenzung von der 2,3-Butandiol-Gärung wird Acetoin untersucht: Bei Gemischter Säuregärung fällt die Voges-Proskauer-Reaktion, die Acetoin nachweist, negativ aus. Dagegen lässt sich die Acetoinausschüttung beispielsweise bei Klebsiella aerogenes nachweisen.