Glyoxylat-Zyklus

Glyoxylatzyklus, eine Variante des Citratzyklus, die es Bakterien und Pflanzen ermöglicht, Kohlenhydrate aus Fetten aufzubauen und diese als einzige Energiequelle zu nutzen. So gelingt es Sämlingen, über den "Glx"-Zyklus ihr "Energiepolster" (Öle, d.h. hoch-ungesättigte Fette) in alle für das Pflanzenwachstum benötigten Biopolymere (Zucker, Proteine) umzuwandeln. In den genannten Organismen ist dieser Zyklus in spezialisierten Zellorganellen, den Glyoxisomen, lokalisiert

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Die Antwort auf die klassische Prüfungsfrage "kann man Zucker aus Fetten aufbauen?" hängt vom Standpunkt des Betrachters (formelmäßige Umsetzung oder Bilanz) bzw. vom Organismus ab:

Abbildung: Citratzyklus, Glyoxylatzyklus und Gluconeogenese (OA → PEP → Glc)

• Fette werden im Verlauf der beta-Oxidation zum universellen Metaboliten Acetyl-CoenzymA (Ac-CoA), auch "aktivierte Essigsäure" genannt. Durch Vereinigung mit Oxalacetat (OA) wird es zum namensgebenden Metaboliten des Citratzyklus (Cit). In zwei aufeinanderfolgenden Decarboxylierungsreaktionen (Freisetzung von 2CO₂), ist der Acetat(C2)-Teil in der Bilanz, aber nicht chemisch verschwunden. Vom OA aus kann, nach Passieren der Mitochondrienmembran (über das Malat-Aspartat-Shuttlesystem), der Gluconeogenese-Weg, d.h. die Neusynthese der Glucose (Glc) eingeschlagen werden. Aus der Bilanzierung folgt: Fette können den Kohlenhydratspeicher nicht auffüllen.

• In Organismen, die den Glyoxylatzyklus betreiben, werden die beiden Decarboxylierungsschritte elegant umschifft: Isocitrat (IC) wird durch eine Lyase in einen "späteren" Baustein des Citratzyklus (Succinat, Suc) und in das namensgebende Glyoxylat (Glx) zerlegt. Die verbleibende Aufgabe besteht darin, auch Glx in einen Metaboliten des Citratzyklus zu überführen; dies geschieht durch die von der Malat-Synthase katalysierten Vereinigung mit einem weiteren Molekül Ac-CoA, wobei Malat (Mal), die Vorstufe des OA entsteht. Die Bilanz dieses Prozesses sagt: es werden vier C-Atome in die Reaktionsfolge eingeführt, aber keines durch Decarboxylierung verloren: der Kohlenhydratspeicher (Glucose, Stärke) wird gefüllt.

• Die Umstellung von Citratzyklus auf Glyoxylatzyklus beinhaltet einen Schaltvorgang an der Isocitrat-Dehydrogenase: bei Phosphorylierung an einem Ser-Rest durch Isocitratdehydrogenase-Kinase/Phosphatase wird das Enzym inaktiviert. Dies war im Jahre 1989 das erste Beispiel eines interkonvertierbaren Enzyms bei Prokaryonten, hier Escherichia coli.

Reaktionstypen: Schlüsselrolle des Isocitrats

Abbildung: Citratzyklus und Glyoxylatzyklus - Weichenstellung am Isocitrat (IC, grün unterlegt).

• Rote Pfeile zeigen Wege des Citratzyklus: Addition von Acety-CoA an Oxalacetat (OA) zu Citrat (Cit); Isomerisierung von Citrat zu Isocitrat.
• Grüne Pfeile zeigen die für den Glyoxylatzyklus typischen Wege: Zerlegen von Isocitrat in Glyoxylat (Glx) und Succinat (Suc); Addition von Acetyl-CoA an Glx zu Malat (Mal).

Im Normalfall dominiert Isocitrat-Dehydrogenase, und damit die Reaktionsfolge des Citratzyklus. Bei Kohlenhydrat-Mangel wird IC-Dehydrogenase phosphoryliert und damit inaktiviert: IC-Lyase gewinnt die Oberhand und damit die Spaltung in Glx und Suc.

Literatur

Hurley JH, Thorsness PE, Ramalingam V, Helmers NH, Koshland DE, Stroud RM (1989). "Structure of a bacterial enzyme regulated by phosphorylation, isocitrate dehydrogenase." Proc Natl Acad Sci U S A 86, 8635-8639