Glyoxylatzyklus: vom Fett zum Zucker
Wie Pflanzen, Pilze und Bakterien über β-Oxidation und Glyoxylatzyklus aus Speicherfett Zucker aufbauen und warum der Mensch das nicht kann.
Das Wichtigste in Kürze
- Der Glyoxylatzyklus ist ein Stoffwechselweg in Pflanzen, Pilzen und Bakterien, der Kohlenstoff aus Fettsäuren über Acetyl-CoA für die Zuckersynthese nutzbar macht.
- In Pflanzenzellen läuft die β-Oxidation in den Glyoxysomen, die zugleich die Enzyme des Glyoxylatzyklus enthalten.
- Die Isocitratlyase spaltet Isocitrat in Succinat und Glyoxylat. Mit der Malatsynthase werden so die beiden \(\ce{CO2}\)-Abspaltungen des Citratzyklus umgangen, netto entsteht aus zwei Acetyl-CoA ein Succinat.
- Säugetiere und der Mensch besitzen keinen Glyoxylatzyklus und können aus Fettsäuren netto keine Glucose bilden.
- Succinat wandert ins Mitochondrium und wird zu Malat. Die PEP-Carboxykinase und die weitere Gluconeogenese arbeiten im Cytoplasma, die Chloroplasten sind nicht beteiligt.
Worum es geht
Viele Samen speichern ihre Reserven als Fett, der wachsende Keimling braucht aber Zucker. Der Glyoxylatzyklus schließt diese Lücke. Er gehört zum pflanzlichen und mikrobiellen Stoffwechsel und erklärt auch, warum der Mensch aus Fettsäuren keine Glucose gewinnen kann.
Funktion: Fette zu Kohlenhydraten
Ein Sonnenblumen- oder Rizinussamen enthält vor allem Triacylglycerole. Fett ist ein dichter Energiespeicher. Der Keimling braucht aber Kohlenhydrate: als Baustoff für Cellulose, als Transportform Saccharose und als Energiequelle. Er muss also Fett in Zucker umbauen, bevor er selbst Photosynthese betreiben kann.
Pflanzenzellen beherrschen diesen Umbau. Zuerst spalten Lipasen die Triacylglycerole in Glycerol und Fettsäuren. Am Abbau der Triacylglycerole ist damit auch der Glyoxylatzyklus beteiligt, denn er verwertet den Fettsäureanteil. Der Weg hat drei Etappen:
- β-Oxidation: Die Fettsäuren werden zu Acetyl-CoA abgebaut.
- Glyoxylatzyklus: Acetyl-CoA wird zu Succinat zusammengesetzt.
- Gluconeogenese: Aus Succinat entsteht über Oxalacetat schließlich Glucose.
Acetyl-CoA ist also das zentrale Zwischenprodukt. Der Zyklus wird mit genau diesem Metaboliten aus dem Fettsäureabbau gespeist. Die Umwandlung schließt die Gluconeogenese ein. Die Bildung von Malonyl-CoA hat damit nichts zu tun, denn sie ist der erste Schritt der Fettsäuresynthese und läuft in die Gegenrichtung.
Stoffwechselweg, der zwei Acetyl-CoA ohne Kohlenstoffverlust zu einem \(C_4\)-Körper (Succinat) verknüpft. So wird Kohlenstoff aus Fettsäuren für die Zuckersynthese nutzbar. Er kommt in Pflanzen, Pilzen und Bakterien vor.
Fett ist nicht die einzige Quelle. Samenpflanzen bauen Kohlenhydrate auch aus Speicherproteinen auf. Deren glucogene Aminosäuren liefern Zwischenprodukte, aus denen die Gluconeogenese ebenfalls Glucose bildet.
β-Oxidation in Glyoxysomen
In tierischen Zellen läuft die β-Oxidation vor allem in den Mitochondrien. In Pflanzenzellen findet sie dagegen in den Glyoxysomen statt. Das sind spezialisierte Peroxisomen im fettspeichernden Gewebe keimender Samen.
Glyoxysomen enthalten zwei Enzymsätze: die Enzyme der β-Oxidation und die Enzyme des Glyoxylatzyklus. Das Produkt der ersten Reaktionsfolge ist sofort Substrat der zweiten. Man kann sich das Glyoxysom wie eine Werkhalle vorstellen, in der das Zerlegen und der Neubau am selben Band stattfinden.
Der Ablauf der β-Oxidation selbst ist derselbe Spiralweg wie bei Tieren. Jede Runde kürzt die Fettsäure um zwei Kohlenstoffatome und setzt ein Acetyl-CoA frei. Aus Palmitinsäure (\(C_{16}\)) entstehen so in sieben Runden acht Acetyl-CoA. Eine Besonderheit liegt im ersten Schritt: Die Acyl-CoA-Oxidase überträgt die Elektronen direkt auf \(\ce{O2}\). Das entstehende \(\ce{H2O2}\) spaltet die Katalase des Glyoxysoms.
Besonders prüfungsrelevant ist die Ortszuordnung: Die pflanzliche β-Oxidation gehört ins Glyoxysom, und dieses Organell trägt zugleich die Enzyme des Glyoxylatzyklus.
Glyoxylatzyklus im Überblick
Warum braucht es überhaupt einen eigenen Zyklus? Im Citratzyklus reagiert Acetyl-CoA mit Oxalacetat zu Citrat. Danach spalten zwei Decarboxylierungen zwei \(\ce{CO2}\) ab. Zwei Kohlenstoffatome kommen herein, zwei gehen als \(\ce{CO2}\) wieder hinaus. Netto bleibt kein Kohlenstoff für einen Zuckeraufbau übrig.
Der Glyoxylatzyklus umgeht genau diese beiden Schritte. Er nutzt die ersten Reaktionen des Citratzyklus bis zum Isocitrat. Dann setzt seine Schlüsselreaktion ein:
\[\ce{Isocitrat -> Succinat + Glyoxylat}\]
Schlüsselenzym des Glyoxylatzyklus. Es spaltet Isocitrat (\(C_6\)) ohne Oxidation in Succinat (\(C_4\)) und Glyoxylat (\(C_2\)). Es ist ein reines Stoffwechselenzym und hat mit der DNA-Replikation nichts zu tun.
Das zweite Zusatzenzym ist die Malatsynthase. Sie verknüpft Glyoxylat mit einem zweiten Acetyl-CoA zu Malat. Malat wird zu Oxalacetat oxidiert, das den nächsten Durchgang startet. Pro Runde gehen also zwei Acetyl-CoA hinein, und ein Succinat kommt heraus. Die Abbildung stellt beide Zyklen nebeneinander und markiert die Abkürzung.
Citratzyklus: zwei C rein, zwei \(\ce{CO2}\) raus. Glyoxylatzyklus: zwei Acetyl-CoA rein, ein Succinat raus. Der gesparte Kohlenstoff wird zu Zucker.
Gespalten wird Isocitrat, nicht Citrat. Die Bilanz der Spaltung ist \(C_6 \to C_4 + C_2\), also ein Succinat und ein einziges Glyoxylat.
Der Zyklus läuft in Pflanzen in den Glyoxysomen ab, die Chloroplasten sind nicht beteiligt. Einzelne Reaktionen und Zwischenprodukte behandelt die Einheit Glyoxylatzyklus: Reaktionen und Enzyme.
Vorkommen
Den Glyoxylatzyklus findet man bei Pflanzen, vor allem im fettspeichernden Gewebe keimender Samen. Typisch sind Rizinus, Sonnenblume, Raps und Erdnuss. Die Sämlinge wandeln damit ihre Fettsäuren in Zucker um, solange sie noch im Boden wachsen.
Auch Pilze wie Hefen und viele Bakterien besitzen den Zyklus. Escherichia coli kann damit sogar auf Acetat als einziger Kohlenstoffquelle wachsen. Für diese Organismen ist der Weg ein Weg, aus \(C_2\)-Bausteinen Zellmaterial aufzubauen.
Säugetiere und damit der Mensch besitzen keinen Glyoxylatzyklus. Ihnen fehlen Isocitratlyase und Malatsynthase. Das gilt für alle Kompartimente, auch für die Mitochondrien und auch für die Leberzelle, den Hauptort der menschlichen Gluconeogenese.
Das Fehlen bei Säugetieren wird im Examen gerne gefragt. Achte auf die Folge: Ohne Isocitratlyase und Malatsynthase kann der Mensch aus Fettsäuren netto keine Glucose bilden, auch nicht in Leber-Mitochondrien.
Im Hungerstoffwechsel hat das Folgen. Aus Fett ist beim Menschen nur der kleine Glycerolanteil glucogen. Acetyl-CoA aus Fettsäuren wird in der Leber zu Ketonkörpern. Für Glucose baut der Körper deshalb Muskelprotein ab und nutzt die Aminosäuren.
Kompartimente und Verknüpfung
Der Weg vom Fett zum Zucker verteilt sich auf drei Orte: Glyoxysom, Mitochondrium und Cytoplasma. Die Chloroplasten sind nicht beteiligt. Der Sämling arbeitet hier allein mit seinen Reserven.
- Oleosom und Cytoplasma: Lipasen setzen aus den Triacylglycerolen der Fetttröpfchen die Fettsäuren frei.
- Glyoxysom: β-Oxidation liefert Acetyl-CoA, der Glyoxylatzyklus macht daraus Succinat. Auch die Malatsynthase-Reaktion läuft hier.
- Mitochondrium: Succinat wird importiert und mit Enzymen des Citratzyklus über Fumarat zu Malat umgesetzt.
- Cytoplasma: Aus Malat wird Oxalacetat. Die PEP-Carboxykinase bildet daraus Phosphoenolpyruvat. Die Gluconeogenese führt weiter über Glucose-6-phosphat zu Glucose und Saccharose.
Glyoxysomen verknüpfen also Fettabbau und Zuckeraufbau. In fetthaltigen Samen sind sie für die Umwandlung von Lipiden in Zucker unverzichtbar. Die eigentliche Zuckersynthese findet aber nicht in ihnen statt. Die PEP-Bildung und die ganze Folge von Oxalacetat bis Glucose-6-phosphat laufen im Cytoplasma. Die Glykolyse hat im Glyoxysom ebenfalls keinen Platz.
Zum Citratzyklus steht der Glyoxylatzyklus in enger Beziehung. Er liefert ihm Metaboliten, denn Succinat und Malat füllen dessen Zwischenprodukte auf. Ein Teil der mitochondrialen Atmung ist er trotzdem nicht. Die Atmung oxidiert Kohlenstoff zu \(\ce{CO2}\), der Glyoxylatzyklus bewahrt ihn für die Synthese. Sekundärstoffe liefert er nicht unmittelbar. Diese entstehen auf eigenen Wegen, die der Sekundärstoffwechsel beschreibt.
Quiz
Aussage 1
In Pflanzenzellen findet die β-Oxidation der Fettsäuren ausschließlich in den Mitochondrien statt.
In Pflanzen läuft die β-Oxidation in den Glyoxysomen bzw. Peroxisomen. Die mitochondriale β-Oxidation ist typisch für tierische Zellen.
Aussage 2
Die Isocitratlyase spaltet Citrat in Succinat und Glyoxylat.
Substrat ist Isocitrat, nicht Citrat. Es zerfällt in ein Succinat und ein Glyoxylat.
Aussage 3
Pro Durchgang des Glyoxylatzyklus entsteht aus zwei Molekülen Acetyl-CoA netto ein Molekül Succinat.
Ein Acetyl-CoA tritt über Citrat ein, das zweite über die Malatsynthase. Heraus kommt ein \(C_4\)-Körper, das Succinat.
Aussage 4
Glyoxysomen enthalten sowohl die Enzyme der β-Oxidation als auch die des Glyoxylatzyklus.
Beide Enzymsätze liegen im Glyoxysom, sodass das gebildete Acetyl-CoA direkt in den Glyoxylatzyklus eingeht.
Aussage 5
In den Mitochondrien menschlicher Leberzellen ermöglicht der Glyoxylatzyklus die Glucosebildung aus Fettsäuren.
Der Mensch besitzt keinen Glyoxylatzyklus, ihm fehlen Isocitratlyase und Malatsynthase. Aus Fettsäuren kann er netto keine Glucose bilden.
Aussage 6
Bei der Zuckerbildung aus Fett im Sämling bildet die PEP-Carboxykinase Phosphoenolpyruvat im Cytoplasma.
Die PEP-Bildung und die weitere Gluconeogenese bis Glucose-6-phosphat laufen im Cytoplasma, nicht im Glyoxysom.
Aussage 7
Auch Hefen und andere Pilze verfügen über einen Glyoxylatzyklus.
Neben Pflanzen und Bakterien besitzen auch Pilze den Glyoxylatzyklus.
Aussage 8
Die Bildung von Malonyl-CoA ist die Grundlage für die Umwandlung von Fettsäuren in Kohlenhydrate.
Malonyl-CoA ist der erste Baustein der Fettsäuresynthese. Die Umwandlung beruht auf β-Oxidation zu Acetyl-CoA, Glyoxylatzyklus und Gluconeogenese.
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