Stoffwechsel des l-Carnitins bei Enterobakterien

Abstract

L-Carnitinmangelzustiinde konnen bei Mensch und Tier zu schweren Stoffwechselstorungen fiihren, wenn Tierkorper oderlund Mikroorganismen den Carnitinbestand reduzieren. Durch die verminderte /3-Oxidation dtr Fettsauren entstehen z. B. Lipidspeichermyopathien des Skelettmuskels. Kiirzlich beschrieben wir zwei Stamme von Escherichia coli, die unter anaeroben Bedingungen L-Carnitin fast vollatiindig zu y-Butyrobetain reduzierten ( SEIM et al. 1979). Ahnliche Umbauprozesse sind bei langdauernder Piiulnis bekannt. y-Butyrobetain ist bei Mikroorganismen vor allem als direkter Precursor des L-Carnitins bei dessen Biosynthese beschrieben worden (HORNE u. BROQUIST 1973, LINDSTEDT et al. 1977). In der vorliegenden Studie berichten wir, inwieweit andere pathogene und fakultativ pathogene Spezies aus den Familien Enterobacteriaceae und Pseudomonadaceae L-Carnitin abbauen oder zu y-Butyrobetain reduzieren. Die Enterobacteriaceae stammten aus der Sammlung und dem Routinebetrieb des Institutes fur Medizinische Mikrobiologie. Stiimme und Serotypen wurden nach HALLMANN u. BURRHARDT (1974) bestimmt. Fur Acinetobacter calcoaceticus CCM 5593 danken wir der Czechoslovak Collection of Microorganisms (5. E. PurkynF! University Brno/CSSR). Die Untersuchungen des L-Carnitinstoffwechsels unter partiell anaeroben Bedingungen verglichen wir mit Spezies von Pseudomonas, von denen einige L-Carnitin aerob durch die L-Carnitindehydrogenase (EC 1.1.1.108) abbauen (AURICH et al. 1967, KLEBER et al. 1978). Diese Spezies wurden der Stammsammlung des Bereiches Biochemie entnommen.Die Stammkulturen wurden auf Bouillon-Agar (2 g/l) (Pseudomonas, Acinetobacter) bzw. auf Stichagar (1,5 g/l) Enterobacteriaceae) bei 4 "C im Dunkeln aufbewahrt. Als Impfsuspension dienten 24 Std. alte Anreicherungskulturen, die von Blutagarplatten (5'3;) in Komplexmedium (20 g/1 pankreatisches Pepton, 5 g/1 NaCl; Immunpriiparate Berlin) aufgeschwemmt wurden. Beimpft wurde mit 5 lo5 Keimen/ml (Endkonzentration). Die Bakterien wurden in Zentrifugenglasern mit 8 mi Komplexmedium unter Zusatz von L-Carnitin (31 pmol/ml) bei 30 "C unter aeroben Bedingungen und Schutteln (Acinetobacter) bzw. bei 37 "C unter partiell anaeroben Bedingungen (Stehen in Paraffin-verschlossenen GefLBen; Pseudomonas und Enterobacteriaceae) in mindestens zweimaligem Ansatz uber 48 oder 120 Std. inkubiert. L( -)-Carnitin (L( -)-3-Hydroxy-4-trimethylaminobutyrat) wurde als reinstes Kristallisat (MUL-LER u. STRACK 1972) eingesetztl). Den Abbau dea L-Carnitins und die Bildung der Metabolite mit erhaltener Trimethylammoniumgruppe erfaDten wir nach Zentrifugation (4000 x g ; T 20) im Kulturfiltrat dunnschichtchromatographisch (KLEBER et al. 1977, SEIM et al. 1979). Die Fiihigkeit, Carnitin abzubauen, haben aul3er E . coli weitere Enterobacteriaceae (Tab. 1). Metabolite des L-Carnitins sind unter partiell anaeroben Bedingungen bei den Gattungen Salmonella, Citrobacter, Proteus und Escherichia Crotonobetain und l) OA Dr. H. LOSTER danken wir fur die Herstellung des L-Carnitins 38.

CaiT of Escherichia coli, a New Transporter Catalyzing l-Carnitine/γ-Butyrobetaine Exchange

“…Such a mechanism minimizes the energy costs for transport, which is particularly important as the cells grow under anaerobic conditions without a functional respiratory chain. Under anaerobic conditions, L-carnitine is reduced to ␥-butyrobetaine in a two-step pathway with crotonobetaine as intermediate (6,7,(15)(16)(17)(18). Recent studies have demonstrated that carnitine and its derivatives are activated during this process by reaction with coenzyme A (15).…”

“…For example, Escherichia coli and other enterobacteria accumulate the betaine as a compatible solute under osmotic stress (4,5). In addition, these bacteria take up L-carnitine under anaerobic growth conditions if no other electron acceptors or glucose is present and convert it into ␥-butyrobetaine (4-trimethylaminobutyrate), the excreted end product of the pathway (6). Crotonobetaine (4-trimethylaminocrotonate) is formed as an intermediate and probably serves as an electron acceptor under these growth conditions (7,8) (cf.…”

Formation of γ-butyrobetaine and trimethylamine from quaternary ammonium compounds structure-related to ?-carnitine and choline by Proteus vulgaris

“…The inoculation was carried out with 5.105 cells/ml (final concentration). The bacteria were incubated for 48 h in calibrated test tubes containing 14 ml of complex medium (20g pancreatic peptone and 5 g NaC1/1) with an addition of test compounds at 37°C under partially anaerobic conditions [2]. Growth of cells was followed by measuring the absorbance (A540) (Spekol, V EB Carl Zeiss Jena).…”

“…¥-Butyrobetaine (4-trimethylaminobutyrate) is the direct precursor of L-carnitine (4-trimethylamino-3-hydroxybutyrate) in its biosynthesis in microorganisms and in mammals [1]. Recently, we have shown that various members of the Enterobacteriaceae, including Proteus vulgaris, are capable of retransforming L-carnitine into ~,butyrobetaine [2]. Reduction of the physiological concentration of L-carnitine in man leads to an L-carnitine deficiency syndrome [3].…”

Synthesis of l-carnitine by microorganisms and isolated enzymes

“…Various members of the family of Enterobacteriaceae, e.g., Escherichia call, Salmonella typhimurium and Proteus vulgaris are able to metabolize L-carnitine under anaerobic conditions thereby accumulating ?-butyrobetaine in the culture medium [131][132][133][134][135]. These strains fail to assimilate the carbon and nitrogen skeleton of carnitine.…”