Anaplerotische Reaktionen und Pyruvatcarboxylase
Wie anaplerotische Reaktionen die für Biosynthesen entnommenen Zwischenprodukte des Citratzyklus ersetzen und wie die biotinabhängige Pyruvatcarboxylase Oxalacetat nachliefert.
Das Wichtigste in Kürze
- Anaplerotische Reaktionen füllen die Zwischenprodukte des Citratzyklus auf, die für Biosynthesen entnommen werden, und sind für seinen dauerhaften Ablauf notwendig.
- Entnommen werden z. B. Oxalacetat für Aspartat und 2-Oxoglutarat für Glutamat; Glutamat → 2-Oxoglutarat wirkt dagegen auffüllend.
- Zyklusschritte wie Isocitrat → α-Ketoglutarat sind nicht anaplerotisch; der Begriff hängt auch nicht an Gleichgewichtslage, Aktivierungsenergie oder Rückreaktion.
- Die Pyruvatcarboxylase setzt Pyruvat + \(\ce{CO2}\) + ATP zu Oxalacetat + ADP + \(\ce{P_i}\) um, mit Biotin als \(\ce{CO2}\)-Träger (über Carboxybiotin).
- Acetyl-CoA aktiviert die Pyruvatcarboxylase; die Reaktion ist anaplerotisch und zugleich erster Schritt der Gluconeogenese.
Worum es geht
Der Citratzyklus baut Acetyl-CoA ab und liefert zugleich Bausteine für Aminosäuren, Häm und Fettsäuren. Damit er dabei nicht leerläuft, müssen entnommene Zwischenprodukte ersetzt werden. Das leisten anaplerotische Reaktionen, allen voran die Pyruvatcarboxylase, deren Cofaktor Biotin ein bekanntes Vitamin ist.
Begriff anaplerotische Reaktion
Im Citratzyklus arbeitet Oxalacetat wie ein Katalysator. Es nimmt eine Acetylgruppe auf, durchläuft den Kreis und steht am Ende wieder bereit. Zwei C-Atome verlassen den Zyklus als \(\ce{CO2}\), die Menge der Intermediate bleibt gleich. Für den reinen Abbau reicht daher ein kleiner Bestand.
Entnahme für Biosynthesen
Die Zelle zweigt aber laufend Zwischenprodukte für anabole Wege ab. Typische Entnahmen sind:
- Oxalacetat für die Biosynthese von Aspartat
- 2-Oxoglutarat (α-Ketoglutarat) für die Bildung von Glutamat
- Succinyl-CoA für die Hämsynthese
- Citrat als Acetyl-CoA-Lieferant für die Fettsäuresynthese
Jedes abgezogene Molekül fehlt dem Kreis. Man kann sich das wie ein Konto vorstellen, von dem ständig abgehoben wird: Ohne Einzahlungen ist es irgendwann leer. Fehlt am Ende Oxalacetat, kann Acetyl-CoA nicht mehr als Citrat eintreten, und der Zyklus kommt zum Stillstand.
Eine Reaktion, die dem Citratzyklus Metaboliten zuführt und so die für Biosynthesen entnommenen Intermediate ersetzt (griechisch anaplēroun, auffüllen). Ohne solche Auffüllreaktionen könnte der Zyklus nicht dauerhaft laufen.
Die wichtigste Auffüllreaktion ist die Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat. Daneben wirkt die Umwandlung von Glutamat zu 2-Oxoglutarat anaplerotisch, etwa durch Desaminierung oder Transaminierung. Propionyl-CoA aus ungeradzahligen Fettsäuren wird zu Succinyl-CoA und füllt ebenfalls auf. Die Abbildung stellt Entnahmen und Zuflüsse gegenüber.
Auffüllen, Entziehen, Durchlaufen
Ob eine Reaktion anaplerotisch ist, entscheidet allein ihre Bilanz für den Zyklus. Die Frage lautet: Kommt ein Intermediat neu hinzu? Daraus ergeben sich drei Fälle.
| Reaktionstyp | Beispiele | Wirkung auf den Bestand |
|---|---|---|
| Auffüllend (anaplerotisch) | Pyruvat → Oxalacetat; Glutamat → 2-Oxoglutarat; Propionyl-CoA → Succinyl-CoA | steigt |
| Entziehend | 2-Oxoglutarat → Glutamat; Oxalacetat → Aspartat | sinkt |
| Zyklusschritt | Isocitrat → α-Ketoglutarat; α-Ketoglutarat → Succinyl-CoA → Succinat; Fumarat → Malat | bleibt gleich |
Zyklusschritte wandeln nur ein Intermediat in das nächste um. Sie gehören zum Kreis selbst und vermehren nichts. So sind auch die Schritte von Succinat über Fumarat zu Malat eine Dehydrierung und eine Hydratisierung. Sie kommen ohne Carboxybiotin aus, weil kein \(\ce{CO2}\) eingebaut wird.
Glutamat → 2-Oxoglutarat füllt auf und ist anaplerotisch. Die Gegenrichtung 2-Oxoglutarat → Glutamat entzieht dem Zyklus ein Intermediat.
Besonders prüfungsrelevant ist die Definition selbst: Anaplerotisch beschreibt die Funktion des Auffüllens. Es ist keine thermodynamische oder kinetische Eigenschaft. Gleichgewichtslage, vollständige Produktbildung oder fehlende Aktivierungsenergie spielen für den Begriff keine Rolle. Auch die Rückreaktion einer enzymkatalysierten Umsetzung ist nicht gemeint, denn sie würde nur ein Intermediat in ein anderes überführen.
Pyruvatcarboxylase
Die Pyruvatcarboxylase sitzt in der Mitochondrienmatrix. Sie hängt an Pyruvat aus der Glykolyse ein \(\ce{CO2}\) an. Aus der C3-Verbindung wird so die C4-Verbindung Oxalacetat. Die Energie für diese Carboxylierung liefert die Spaltung von ATP.
\[\ce{Pyruvat + CO2 + ATP -> Oxalacetat + ADP + P_i}\]
Genau genommen nutzt das Enzym Hydrogencarbonat (\(\ce{HCO3-}\)) als \(\ce{CO2}\)-Quelle. Die vereinfachte Gleichung oben ist die übliche Schreibweise.
Biotin als \(\ce{CO2}\)-Träger
Der Cofaktor ist Biotin (Vitamin B7). Es ist kovalent über eine Amidbindung an einen Lysinrest des Enzyms gebunden. Dieser lange, bewegliche Arm transportiert die Carboxylgruppe zwischen zwei aktiven Zentren.
- Aktivierung: ATP aktiviert Hydrogencarbonat. Die Carboxylgruppe geht auf ein N-Atom des Biotins über, es entsteht Carboxybiotin. ATP wird zu ADP und \(\ce{P_i}\).
- Schwenken: Der Lysin-Biotin-Arm bringt das Carboxybiotin zum zweiten aktiven Zentrum.
- Übertragung: Die Carboxylgruppe wandert auf die Methylgruppe des Pyruvats. Oxalacetat entsteht, Biotin ist wieder frei.
Biotin ist der typische Cofaktor der Carboxylasen. Auch die Acetyl-CoA-Carboxylase arbeitet damit. Thiamindiphosphat braucht die Pyruvatcarboxylase dagegen nicht. Es gehört zur Pyruvat-Dehydrogenase, die Pyruvat decarboxyliert. Pyridoxalphosphat ist ebenfalls unbeteiligt, denn es ist das Coenzym der Transaminierung.
Aktivierung durch Acetyl-CoA
Acetyl-CoA aktiviert die Pyruvatcarboxylase allosterisch. Die Logik ist einfach: Häuft sich Acetyl-CoA an, fehlt Oxalacetat, um es als Citrat aufzunehmen. Gleichzeitig hemmt Acetyl-CoA die Pyruvat-Dehydrogenase. Pyruvat wird so vom Acetyl-CoA weg zum Oxalacetat gelenkt. Am Pyruvat verzweigen sich damit zwei Wege, die man nach Produkt und Cofaktor sicher trennen muss.
| Merkmal | Pyruvatcarboxylase | Pyruvat-Dehydrogenase |
|---|---|---|
| Produkt | Oxalacetat (C4) | Acetyl-CoA (C2) |
| \(\ce{CO2}\) | wird eingebaut | wird abgespalten |
| Cofaktor | Biotin | Thiamindiphosphat (u. a.) |
| Energie | verbraucht ATP | liefert NADH |
| Wirkung von Acetyl-CoA | aktiviert | hemmt |
Doppelrolle
Das gebildete Oxalacetat hat zwei Schicksale. Im Citratzyklus füllt es den Oxalacetat-Pool auf und ist damit die klassische anaplerotische Reaktion. In Leber und Niere ist dieselbe Reaktion zugleich der erste Schritt der Gluconeogenese. Wie es dort weitergeht, erklärt die eigene Einheit.
Die Reaktion im Schema erkennen
In einem Reaktionsschema erkennst du die Pyruvatcarboxylase an drei Merkmalen. Pyruvat wird um ein C-Atom länger, \(\ce{CO2}\) steht auf der Eduktseite, und ATP wird zu ADP und \(\ce{P_i}\) gespalten.
Die Gleichung Pyruvat + \(\ce{CO2}\) + ATP → Oxalacetat + ADP + \(\ce{P_i}\) solltest du sicher als Pyruvatcarboxylase-Reaktion erkennen: biotinabhängig, anaplerotisch, durch Acetyl-CoA aktiviert. Achte auf die Richtung des \(\ce{CO2}\), denn die Abspaltung zu Acetyl-CoA gehört zur Pyruvat-Dehydrogenase.
Quiz
Aussage 1
Die Bildung von Glutamat aus 2-Oxoglutarat ist eine anaplerotische Reaktion.
Diese Richtung entzieht dem Zyklus 2-Oxoglutarat. Anaplerotisch ist die umgekehrte Umwandlung von Glutamat zu 2-Oxoglutarat.
Aussage 2
Die Reaktion Pyruvat + \(\ce{CO2}\) + ATP → Oxalacetat + ADP + \(\ce{P_i}\) ist biotinabhängig und füllt den Oxalacetat-Pool des Citratzyklus auf.
Das ist die Pyruvatcarboxylase-Reaktion, die wichtigste anaplerotische Reaktion; Biotin überträgt das \(\ce{CO2}\).
Aussage 3
Die Pyruvatcarboxylase benötigt Thiamindiphosphat als Cofaktor.
Ihr Cofaktor ist Biotin. Thiamindiphosphat gehört zur Pyruvat-Dehydrogenase, die Pyruvat decarboxyliert.
Aussage 4
Für die Biosynthese von Aspartat kann dem Citratzyklus Oxalacetat entnommen werden.
Oxalacetat ist Ausgangsstoff für Aspartat; diese Entnahme muss anaplerotisch ausgeglichen werden.
Aussage 5
Anaplerotische Reaktionen ersetzen Zwischenprodukte des Citratzyklus, die für anabole Synthesewege abgezogen wurden.
Genau das ist die Definition: Sie füllen den Bestand an Intermediaten wieder auf.
Aussage 6
Die Umsetzung von Isocitrat zu α-Ketoglutarat zählt zu den anaplerotischen Reaktionen, weil dabei ein Zyklusintermediat entsteht.
Sie ist ein Teilschritt des Citratzyklus selbst und wandelt nur ein Intermediat in ein anderes um. Der Bestand nimmt nicht zu.
Aussage 7
Acetyl-CoA hemmt die Pyruvatcarboxylase allosterisch.
Acetyl-CoA aktiviert die Pyruvatcarboxylase und hemmt die Pyruvat-Dehydrogenase. So wird mehr Oxalacetat gebildet.
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