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Lexikon der Chemie: Methanolassimilation

Methanolassimilation, der Einbau des Methan- bzw. Methanol-Kohlenstoffs in körpereigene Verbindungen. Die M. trennt sich vom Energiestoffwechsel (Methanoxidation) auf der Stufe des Formaldehyds. Beim Serin-Weg (methylotrophe Organismen vom Typ II) wird der C1-Körper – katalysiert durch die Serinhydroxymethyltransferase (mit Pyridoxalphosphat als Cofaktor) – unter Bildung von Serin auf Glycin übertragen (Abb. 1). Die CO2-Fixierung erfolgt durch die PEP-Carboxylase. Durch die Malyl-CoA-Lyase wird Glyoxylat wieder zur Verfügung gestellt. Die Rückbildung des zweiten Moleküls Glyoxylat geschieht entweder durch das Zusammenspiel von Enzymen des Citratcyclus mit der Isocitratlyase (ICL+; Serin-Isocitratlyase-Weg) oder – über einen noch nicht genau bekannten Weg – direkt vom Acetyl-CoA (ICL-).



Methanolassimilation. Abb. 1: Oxidation von Methan zu Kohlendioxid (a) Methanmonooxygenase, (b) Methanoldehydrogenase, (c) Formaldehyddehydrogenase, (d) Formiatdehydrogenase) und Assimilation der C1-Körper durch den Serin-Weg (Enzyme: (1) Serinhydroxymethyltransferase, (2) Aminotransferase, (3) Hydroxypyruvatreductase, (4) Glyceratkinase, (5) Enolase, (6) PEP-Carboxylase, (7) Malatdehydrogenase, (8) Malatthiokinase, (9) Malyl-CoA-Lyase, (10) Isocitratlyase, – - – nicht bekannt (ICL-); ICL+, Isocitratlyase-Weg).



Methanolassimilation. Abb. 2: Ribulosemonophosphat-Weg (Kemp u. Quayle) mit SBP-Variante (unten). (Enzyme: (1) Hexulosephosphatsynthase, (2) Hexulosephosphatisomerase, (3) Phosphofruktokinase, (4) Aldolase, (5) Transketolase, (6) Transaldolase, (7) Ribulosephosphatepimerase, (8) Ribulosephosphatisomerase, (9) Sedoheptulosebisphosphatase; Abk. Ru5P, Ribulose-5-phosphat; Hu6P, D-Erythro-L-glycero-3-hexulose-6-phosphat; F6P, Fructose-6-phosphat; FBP, Fructose-1,6-bisphosphat; DHAP, Dihydroxyacetonphosphat; G3P, Glycerinaldehyd-3-phosphat; E4P, Erythrose-4-phosphat; Xu5P, Xylulose-5-phosphat; S7P, Sedoheptulose-7-phosphat; SBP, Sedoheptulose-1,7-bisphosphat; R5P, Ribose-5-phosphat).

Beim Ribulosemonophosphat-Weg (RMP-Weg) – einer Variante des bei CO2-autotrophen Organismen vorkommenden Ribulosebisphosphatcyclus (Calvin-Cyclus; Photosynthese) – wird der C1-Körper durch Aldoladdition mit Ribulose-5-phosphat verbunden. Das aus Hexulosephosphat gebildete Fructose-6-phosphat dient einerseits zur Regeneration des Formaldehydakzeptors Ribulose-5-phosphats, andererseits als Ausgangsmaterial für Biosynthesen (Abb. 2, oben).

Für den RMP-Weg (methylotrophe Organismen vom Typ I) wurden verschiedene Varianten beschrieben:

Beim KDPG-(2-Keto-3-desoxy-6-phosphogluconat)-Aldolase-Weg wird Fructose-6-phosphat nach Isomerisierung zu Glucose-6-phosphat durch die Enzyme des oxidativen Pentosephosphatcyclus und Entner-Doudoroff-Weges zu Glycerinaldehyd-3-phosphat und Pyruvat umgesetzt. Ausgehend von 3 Molekülen Fructose-6-phosphat (2 Moleküle Fructose-6-phosphat und ein Molekül Glycerinaldehyd-3-phosphat dienen der Regeneration von 3 Molekülen Ribulose-5-phosphat; vgl. Abb. 2, oben) lautet die Bilanz:

3 HCHO + NAD+ → Pyruvat + NADH + H+.

Der FBP-Aldolase-Weg (SBP-Variante) unterscheidet sich vom RMP-Weg durch die Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat bzw. Sedoheptulose-1,7-bisphosphat und dem damit verbundenen erhöhten ATP-Verbrauch (Abb. 2, unten). In Hefen werden Formaldehyd und Xylulose-5-phosphat (Xylulosemonophosphat-Weg) durch die Dihydroxyacetonsynthase, einer Transketolase, zu Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyaceton umgesetzt. Letzteres wird durch eine Triokinase (Triokinase-Weg) zu Dihydroxyacetonphosphat phosphoryliert. Geht man von je 3 Molekülen Xylulose-5-phosphat und Formaldehyd aus, können so ebenfalls 2 Moleküle Fructose-6-phosphat (über Fructose-1,6-bisphosphat) und 2 C3-Verbindungen gebildet werden. Die weitere Metabolisierung entspricht dem in Abb. 2 (oben) dargestellten Weg.

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