Malat-Zyklus

Das Malat-Aspartat-Shuttle (Malat-Zyklus), ist ein System zum indirekten Transfer des Reduktionsäquivalentes NADH vom Cytosol in die Matrix der Mitochondrien.

Funktionsweise

Das Shuttle-System besteht aus insgesamt vier verschiedenen Enzymen und zwei Antiport-Carriern.

Der Arbeitszyklus beginnt mit der NADH-abhängigen Reduktion von Oxalacetat zu Malat. Als Enzym ist dabei die cytosolische Malat-Dehydrogenase^[1] (cMDH) aktiv, ein Isoenzym der auch im Citratzyklus beteiligten mitochondrialen Malat-Dehydrogenase^[2] (mMDH). Das so gebildete Malat wird nun durch den α-Ketoglutarat-Malat-Carrier in die Matrix des Mitochondriums transportiert, wobei α-Ketoglutarat in Cytosol befördert wird, das in einem späteren Schritt des Zyklus zur Neubildung des (cytosolischen) Oxalacetats benötigt wird.

Im Inneren des Mitochondriums wird das Malat durch die mitochondriale Malat-Dehydrogenase oxidiert, dabei wird NAD⁺ zu NADH+H⁺ reduziert. Die eigentliche Transportfunktion ist damit bereits erfüllt, allerdings sind zur Aufrechterhaltung des Zyklus’ noch einige weitere Schritte notwendig. So wird das Oxalacetat im Mitochondrium über eine mitochondriale Aspartat-Aminotransferase^[3] (mAST) Glutamat-abhängig zu Aspartat aminiert. Dabei wird aus Glutamat α-Ketoglutarat gebildet. Das Glutamat selbst stammt aus dem Cytosol, wobei es durch den Aspartat-Glutamat-Carrier gegen das entstandene Aspartat ausgetauscht wird.

Im letzten Schritt des Zyklus’ wird das Aspartat (im Cytosol) durch eine cytosolische Aspartat-Aminotransferase^[4] (cAST) zum Oxalacetat, dem Ausgangsstoff für die erste Reaktion, umgesetzt. Dabei wird zudem das ins Cytosol transportierte α-Ketoglutarat in Glutamat umgewandelt, welches wiederum zurück in den Matrixraum durch den vorher erwähnten Aspartat-Glutamat-Carrier transportiert werden kann.

Schema des Malat-Aspartat-Shuttlesystems. Für Einzelheiten bitte Textinhalt beachten. Abkürzungen: (1) Malat; (2) Oxalacetat; (3) Aspartat; (4) Glutamat; (5) α-Ketoglutarat; cMDH cytosolische Malat-Dehydrogenase; mMDH mitochondriale Malat-Dehydrogenase; cAST cytosolische Aspartat-Aminotransferase; mAST mitochondriale Aspartat-Aminotransferase; IMR Intermembranraum.

Biologische Bedeutung

Das Shuttlesystem ist notwendig, damit das u. a. in der Glykolyse erzeugte NADH der in den Mitochondrien lokalisierten Atmungskette zugeführt werden kann, um dort als Energieträger für die ATP-Synthese zu dienen. Gleichzeitig wird NAD⁺ regeneriert, so dass dieses in der Glykolyse wieder eingesetzt werden kann. Es kommt bei Säugetieren sowohl in den Mitochondrien des Herzens, der Leber und der Nieren vor. Bei dem Transportprozess handelt es sich nicht um einen aktiven Transport, es können also keine NADH-Gradienten auf-, sondern nur abgebaut werden. Damit ist für einen ins Mitochondrium gerichteten Transport ein Überwiegen der cytosolischen NADH-Konzentration im Vergleich zur mitochondrialen erforderlich.

Im übrigen Gewebe, insbesondere im Muskel oder im Gehirn, wird cytosolisches NADH durch ein schnelleres Transportsystem der Atmungskette zugeführt, durch den sogenannten Glycerin-3-Phosphat-Shuttle.

Das durch das Shuttlesystem ins Cytosol transportierte Oxalacetat kann überdies für die Glukoneogenese verwendet werden.

Einordnung in den Stoffwechselzusammenhang

Das Malat-Aspartat-Shuttle stellt - neben dem Glycerin-3-Phosphat-Shuttle - einen der Hauptwege des Transports von Elektronen/Reduktionsäquivalenten vom Cytosol in die Mitochondrien dar. Im Gegensatz zum Glycerin-3-Phosphat-Shuttlesystem ist es energieeffizienter, da das in der Matrix generierte NADH direkt in den Atmungskomplex I eingespeist werden kann. Beim Glycerin-3-Phosphat-Shuttlesystem dagegen entsteht das energetisch schwächere Flavin-Adenin-Dinukleotid FADH₂, dessen Elektronen über Ubichinon nur in den Atmungskomplex III gelangen können. So liefert ein cytosolisches NADH unter Verwendung des Malat-Aspartat-Shuttles in der Atmungskette etwa 2,5 ATP, wohingegen es beim Transport durch das Glycerin-3-Phosphat-Shuttle lediglich ca. 1,5 ATP erzeugt.

Einzelnachweise

1. ↑ kodiert von MDH1 beim Menschen (HUGO Gene Nomenclature Committee HGNC)
2. ↑ kodiert von MDH2 beim Menschen (HUGO Gene Nomenclature Committee HGNC)
3. ↑ kodiert von GOT2 beim Menschen (HUGO Gene Nomenclature Committee HGNC)
4. ↑ kodiert von GOT1 beim Menschen (HUGO Gene Nomenclature Committee HGNC)

Literatur

• Stryer et.al.: Biochemie. 5. Auflage Spektrum Akademischer Verlag, 2003
• Fallert-Müller et.al.: Lexikon der Biochemie, Spektrum Akademischer Verlag, 2000

Weblinks

• Biocarta: Malate-aspartate shuttle

Siehe auch

• Glycerin-3-Phosphat-Shuttle
• Citrat-Shuttle
• Atmungskette