Propionsäuregärung

In der Propionsäuregärung wird durch Bakterien Glucose oder Milchsäure zu Propionsäure, Essigsäure und CO₂ vergoren. Sie dient den Bakterien als Energiequelle. Ist das Substrat Milchsäure, so handelt es sich um eine sekundäre Gärung, weil das Endprodukt einer Gärung weitervergoren wird.

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Die Bruttogleichungen lauten:

Glucose → 4/3 Propionsäure + 2/3 Essigsäure + 2/3 CO₂ + 2/3 Wasser

3 Milchsäure → 2 Propionsäure + Essigsäure + CO₂

Die Änderung der Freien Energie unter Standardbedingungen, jedoch pH = 7, ΔG₀' beträgt für die Vergärung von Milchsäure -399 kJ/mol, je Mol Milchsäure also -133 kJ.

Geht die Propionsäuregärung von Glucose aus, läuft sie in zwei Schritten ab:

• Glucoseabbau auf dem Weg der Glykolyse zu Brenztraubensäure und Wasserstoff, der an Nicotinamidadenindinukleotid (NAD) gebundenen ist (NADH)
• Umsetzung von einem Drittel der Brenztraubensäure zu Essigsäure, Kohlenstoffdioxid und NADH und von zwei Dritteln der Brenztraubensäure unter Verbrauch des zuvor gebildeten NADH zu Propionsäure

Geht die Propionsäuregärung von Milchsäure aus, werden ein Drittel der Milchsäure zu Essigsäure, Kohlenstoffdioxid und NADH und zwei Drittel unter Verbrauch des NADH zu Propionsäure umgesetzt.

Zwei verschiedene Wege der chemischen Umsetzungen bei der Propionsäuregärung sind bekannt: der Methylmalonyl-Weg und der Acrylat-Weg.

Methylmalonat-Weg

Der Methylmalonat-Weg wird von Bakterien der Gattung Propionibacterium (z B. P. freudenreichii) beschritten. Es ist ein bemerkenswerter Weg (siehe Bild): Aus der C3-Verbindung Brenztraubensäure wird durch fast energieneutrale Carboxylierung die C4-Verbindung Oxalessigsäure gebildet, wobei das CO₂ aus einer Bindung am Coenzym Biotin stammt. Dann wird Oxalessigsäure in einer Reaktionssequenz wie im Zitronensäurezyklus zu Bernsteinsäure umgesetzt, die jedoch umgekehrt wie beim Zitronensäurezyklus verläuft: Reduktion mit NADH zu Äpfelsäure, Bildung von Fumarsäure durch Wasserabspaltung, Reduktion mit NADH zu Bernsteinsäure. Bernsteinsäure wird dann an Coenzym A (CoA) gebunden und mittels eines Cobalamin-Enzyms zu Methylmalonylsäure umgewandelt. Durch Decarboxylierung der Methylmalonylsäure wird Propionsäure gebildet, wobei das CO₂ auf Biotin übertragen wird, das somit wieder für die Carboxylierung von Brenztraubensäure zur Verfügung steht.

Bei Propionibakterien ist also ein Cobalaminenzym am Energiestoffwechsel beteiligt, in den Organismen also in größerer Konzentration enthalten als bei anderen Organismen, bei denen Cobalaminenzyme nur für bestimmte Reaktionen im Baustoffwechsel benötigt werden. Aus Propionibakterien wurden deshalb Cobalamine (Vitamin B₁₂) gewonnen.

Die Biotin-CO₂-Verbindung ist labil und zerfällt bei geringen CO₂-Konzentrationen, wodurch die Propionsäuregärung und damit die Energiegewinnung der Propionibakterien zum Erliegen kommt. Deshalb sind Propionibakterien auf eine höhere CO₂-Konzentration angewiesen, was bei ihrer Kultur berücksichtigt werden muss. Diese CO₂-Abhängigkeit führte zur Entdeckung der anaplerotischen Carboxylierungsreaktionen durch Wood und Werkman.

Bei der Vergärung von Glucose in der Propionsäuregärung auf dem Methylmalonat-Weg können die Bakterien je Mol Glucose 4 mol ATP durch Phosphorylierung von ADP als kurzfristigen Energiespeicher und Energieüberträger bilden. Das ist das Doppelte der ATP-Menge, die bei der Vergärung von Glucose in der homofermentativen Milchsäuregärung gebildet werden kann. Bei der Propionsäuregärung ausgehend von Milchsäure kann 1 mol ATP je Mol Milchsäure gebildet werden. Propionsäurebakterien gewinnen also mit Hilfe der dargestellten Reaktionsfolgen aus dem Abfallprodukt der Milchsäuregärung Energie.

Acrylat-Weg

Die Bakterien Clostridium propionicum, Peptostreptococcus elsdenii und Bacteroides ruminicola gehen in der Propionsäuregärung den Acrylat-Weg. Sie gewinnen bei der Vergärung von Milchsäure 1 Mol ATP je Mol Milchsäure durch Substratphosphorylierung im Zusammenhang mit der Oxidation von Acetaldehyd zu Essigsäure. Es wird vermutet, dass vielleicht bei der Übertragung von an NAD gebundenem Wasserstoff auf den Acrylyl-Rest mittels Elektronentransportphosphorylierung zusätzlich ATP gebildet werden kann.

Bedeutung der Propionsäuregärung

Die Propionsäuregärung wird unter anderem bei der Reifung von Hartkäse genutzt, insbesondere bei Emmentaler. Die aus dem Milchzucker (Lactose) gebildete geschmacklose Milchsäure wird weiter zu Essigsäure und Propionsäure umgesetzt, die wichtige Komponenten des Käsearomas sind. Das ebenfalls dabei gebildete CO₂ führt unter anderem zur Lochbildung im Käse.

Siehe auch: Gärung