Glyoxylat-Zyklus

Der Glyoxylatzyklus ist ein Stoffwechselweg, der die Synthese von Succinat aus zwei Molekülen Acetyl-CoA ermöglicht. Er ähnelt dem Citratzyklus und kommt bei Pflanzen, Pilzen, vielen Bakterien und manchen Invertebraten vor, jedoch nicht bei Wirbeltieren bzw. dem Menschen.^[1] Der Stoffwechselweg wird auch als Krebs-Kornberg-Zyklus bzw. Krebs-Kornberg-Beevers-Zyklus nach seinen Entdeckern Hans Adolf Krebs, Hans Leo Kornberg und Harry Beevers bezeichnet.^[2][3]

Biochemie

Der Glyoxylatzyklus in einer allgemeinen Schema. Die Anzahl der Kohlenstoffatome der einzlenen Metabolite wurde hervorgehoben. Für Einzelheiten bitte Text beachten.

Wie im Citratzyklus beginnt der Glyoxylatzyklus mit der Kondensation eines Moleküls Acetyl-CoA mit Oxalacetat, wodurch Citrat entsteht. Diese Reaktion wird durch eine Citrat-Synthase katalysiert. Das Citrat wird durch eine Aconitase in Isocitrat überführt.

Die katalysierten Reaktionen der Isocitrat-Lyase und Malat-Synthase im Detail.

Durch zwei Folgereaktionen werden nun die Decarboxylierungsschritte des Citratzyklus’ umgangen. Zum einen katalysiert eine Isocitrat-Lyase die Spaltung Isocitrates zu Succinat und Glyoxylat. Dieses wird dann zum anderen durch eine Malat-Synthase mit einem weiteren Molekül Acetyl-CoA zu Malat kondensiert. Da der CoA-Thioester hydrolyisert wird, ist diese Reaktion irreversibel. Der Kreis schließt sich, wenn das Malat zu Oxalacetat durch eine Malat-Dehydrogenase reduziert wird, dabei wird auch NADH gewonnen.

Die Nettoreaktion für die Umwandlung zweier Moleküle Acetyl-CoA in Succinat lautet:

$\mathrm{2\ {AcetylCoA} + NAD^+ + 2\ H_2O \rightarrow\ Succinat + 2\ CoA + NADH + H^+}$

Da das freiwerdende Succinat in den Citratzyklus eingepeist werden kann, ist der Glyoxylatzyklus ein Beispiel einer anaplerotischen Reaktion.^[1]

Regulation

Die Teilschritte des Glyoxylatzyklus’ finden bei Pflanzen im Glyoxysom, im Cytosol und im Mitochondrium statt. Die Anzahl der Kohlenstoffatome der einzelnen Metabolite wurde hervorgehoben. Für Einzelheiten bitte Text beachten.

Bei Pflanzen findet eine Kompartimentierung der Reaktion statt. Der Hauptteil der Reaktionen ist in spezialisierten Peroxisomen lokalisiert, in den sogenannten Glyoxysomen. Jedoch wird das gebildete Citrat in das Cytosol gebracht und dort von einer cytosolischen Aconitase in Isocitrat umgesetzt. Dieses wird wieder zurück in das Glyoxysom transportiert und tritt dort in den Glyoxylatzyklus ein. Das gebildete Succinat wird schließlich in ein Mitochondrium transportiert und kann dort in den Citratzyklus einfließen.

In Mikroorganismen findet der Citratzyklus nicht abgetrennten Zellkompartimenten statt, sondern im Zytoplasma. Infolgedessen überlappen sich beiden Zyklen und müssen reguliert werden. Die Umstellung von Citratzyklus auf Glyoxylatzyklus beinhaltet einen Schaltvorgang an der Isocitrat-Dehydrogenase. Dieses Enzym katalysiert im Citratzyklus die oxidative Decarboxylierung von Isocitrat in α-Ketoglutarat. Soll aber stattdessen Isocitrat für den Glyoxylatzyklus gespalten werden, findet eine Phosphorylierung des Enzyms an einem Serinrest durch eine Isocitratdehydrogenase-Kinase/Phosphatase statt, wodurch die Isocitrat-Dehydrogenase inaktiviert wird.^[4] Dies war im Jahre 1989 das erste Beispiel eines interkonvertierbaren Enzyms bei Escherichia coli. Im Normalfall dominiert die Aktivität der Isocitrat-Dehydrogenase, und damit die Reaktionsfolge des Citratzyklus’. Bei Kohlenhydratmangel jedoch wird die Isocitrat-Dehydrogenase phosphoryliert und damit inaktiviert.

Biologische Bedeutung

Das gebildete Succinat wird in Oxalacetat überführt. Dieses kann in Phosphoenolpyruvat überführt werden, was eine Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase katalysiert. Phosphoenolpyruvat wird im Zuge der Gluconeogenese zu Glucose aufgebaut. Infolgedessen ermöglicht der Glyoxylatzyklus Mikroorganismen das Wachsen mit Acetat bzw. Acetyl-CoA, welches aus verschiedenen organischen Verbindungen (Alkane, Isoprene, Alkohole, Polyhydroxyalkanoat, Essigsäure, Triglyceride) generiert bzw. abgebaut worden ist.

Bei Pflanzen nutzt der Keimling den Stoffwechselweg, um Energie und insbesondere Kohlenhydrate (z. B. Saccharose) für das Zellenwachstum aus gespeicherten Triglyceride (Speicherfette) zu generieren. Hierbei nutzt der Keimling spezielle Fettreservoirs, sogenannte Oleosome, um die Triglyceriden in Fettsäuren und Glycerin zu hydrolysieren. Glycerin wird in Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt und kann dann weiter metabolisiert werden. Die Fettsäuren gelangen in die Glyoxisome und werden dort im Zuge der β-Oxidation zu Acetyl-CoA abgebaut. Acetyl-CoA fließt dann in den Glyoxylatzyklus ein. Das dort gebildete Succinat wird im Zuge der Gluconeogenese schließlich zu Glucose umgewandelt und kann anschließend zu Saccharose weiterprozessiert werden. Alternativ kann Succinat im Citratzyklus zur Energieerzeugung verwendet werden, bevor die Photosynthese des Keimlings beginnt. In Pflanzen kann der Glyoxylatzyklus auch für den indirekten Transport Lipiden genutzt werden. Pflanzen können Lipide weder als Träger chemischer Energie noch als Baustoff transportieren. Durch den Glyoxylatzyklus werden diese in eine transportable, wasserlösliche Form gebracht (Saccharose) und dann am Zielort wieder in Lipide umgewandelt.

Da dem Menschen (und anderern Vertebraten) die beiden Enzyme Isocitrat-Lyase und Malat-Synthase fehlen, kann dieser gebildetes Acetyl-CoA entweder zu Fetten aufbauen oder im Citratzyklus veratmen. Infolgedessen kann ein Mensch bei einer Nulldiät aus Fetten keine Kohlenhydrate generieren und muss diese (notgedrungen) über Aminosäuren beziehen. Deswegen werden bei dieser Diätform Muskeln abgebaut.

Andere Formen des Glyoxylatzyklus’

Manche auf Acetat wachsenden Mikroorganismen haben keine aktive Isocitrat-Lyase bzw. sie fehlt ihnen. Es wurde aber gezeigt, dass sie bei der Umwandlung von Acetat zu Glyoxylat und Succinat andere Formen eines Glyoxylatzyklus’ nutzen. Ein alternativer Glyoxylatzyklus wurde bei Rhodobacter sphaeroides gefunden.^[5] Bei Methylobacterium extorquens wurde ein Glyoxylat-Regenierungszyklus entdeckt.^[6][7]

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Ensign, SA. (2006): Revisiting the glyoxylate cycle: alternate pathways for microbial acetate assimilation. In: Mol Microbiol. 61(2); 274–276; PMID 16856935
2. ↑ Kornberg, HL. und Krebs, HA. (1957): Synthesis of cell constituents from C2-units by a modified tricarboxylic acid cycle. In: Nature 179(4568); 988–991; PMID 13430766; doi:10.1038/179988a0
3. ↑ Kornberg, HL. und Beevers, H. (1957): The glyoxylate cycle as a stage in the conversion of fat to carbohydrate in castor beans. In: Biochim Biophys Acta 26(3); 531–537; PMID 13499412
4. ↑ Hurley, JH. et al. (1989): Structure of a bacterial enzyme regulated by phosphorylation, isocitrate dehydrogenase. In: PNAS 86(22), 8635–8639; PMID 2682654; PDF (freier Volltextzugriff, engl.)
5. ↑ Alber BE. et al. (2006): Study of an alternate glyoxylate cycle for acetate assimilation by Rhodobacter sphaeroides. In: Mol Microbiol. 61(2); 297–309; PMID 16856937; PDF (freier Volltextzugriff, engl.)
6. ↑ Korotkova, N. et al. (2002): Glyoxylate regeneration pathway in the methylotroph Methylobacterium extorquens AM1. In: J Bacteriol. 184(6); 1750–1758; PMID 11872727; PDF (freier Volltextzugriff, engl.)
7. ↑ Korotkova, N. et al. (2005): Identification of genes involved in the glyoxylate regeneration cycle in Methylobacterium extorquens AM1, including two new genes, meaC and meaD. In: J Bacteriol. 187(4); 1523–1526; PMID 15687219; PDF (freier Volltextzugriff, engl.)

Literatur

• Georg Fuchs (Hrsg.), Hans. G. Schlegel (Autor): Allgemeine Mikrobiologie. Thieme Verlag Stuttgart; 8. Auflage 2007; ISBN 3-13-444608-1; S. 225f.
• Katharina Munk (Hrsg.): Taschenlehrbuch Biologie: Mikrobiologie. Thieme Verlag Stuttgart 2008; ISBN 978-3-13-144861-3; S. 405f.
• Philipp Christen und Rolf Jaussi: Biochemie: Eine Einführung mit 40 Lerneinheiten. Springer Verlag Berlin 2004; ISBN 3540211640; S. 327f.
• Jeremy M. Berg, Lubert Stryer und John L. Tymoczko: Biochemie. Spektrum Akademischer Verlag; 6. Auflage 2007; ISBN 3827418003; S. 553f.
• Michael T. Madigan, John M. Martinko, Jack Parker und Thomas D. Brock: Mikrobiologie. Spektrum Akademischer Verlag; ISBN 3-8274-0566-1; S. 700

Weblinks

• Isocitrat-Dehydrogenase in E. coli
• Isocitratdehydrogenase-Kinase/Phosphatase
• Wege zum Einbau von Essigsäure (Acetat) in den Zellkohlenstoff