Glyoxylatzyklus: Reaktionen, Enzyme und Zwischenprodukte
Die fünf Reaktionen des Glyoxylatzyklus mit ihren Enzymen und Zwischenprodukten, ihre Bilanz und die Abgrenzung zum Citratzyklus.
Das Wichtigste in Kürze
- Der Glyoxylatzyklus ist eine Abkürzung durch den Citratzyklus, die aus zwei Acetyl-CoA ohne Kohlenstoffverlust ein Succinat bildet.
- Pro Umlauf werden zwei Acetyl-CoA eingeschleust, es gibt keine Decarboxylierung, und FAD wird nicht reduziert, da die Succinat-Dehydrogenase fehlt.
- Citratsynthase, Aconitase und Malatdehydrogenase arbeiten in beiden Zyklen. Oxalacetat ist jeweils Acetyl-CoA-Akzeptor, und die Malatoxidation liefert NADH.
- Die Isocitrat-Lyase spaltet Isocitrat in Succinat und Glyoxylat, die Malatsynthase verknüpft Glyoxylat und Acetyl-CoA unter Wasseraufnahme zu L-Malat und CoA-SH. Beide Reaktionen gibt es nur im Glyoxylatzyklus.
- Gemeinsame Zwischenprodukte sind Citrat, Isocitrat, Succinat, L-Malat und Oxalacetat. Spezifisch ist nur Glyoxylat (\(\ce{OHC-COOH}\)), während 2-Oxoglutarat, Succinyl-CoA und Fumarat fehlen.
Worum es geht
Der Glyoxylatzyklus ist eine Abkürzung durch den Citratzyklus. Mit ihr bauen Pflanzensamen und viele Mikroorganismen aus Fett Zucker auf, wie in Glyoxylatzyklus: vom Fett zum Zucker beschrieben. Hier geht es um seine Reaktionen und Zwischenprodukte, die man an Strukturformeln erkennen und vom Citratzyklus abgrenzen muss.
Bilanz
Ein Umlauf des Glyoxylatzyklus schleust zwei Acetyl-CoA ein, also zwei \(\ce{C2}\)-Körper. Das erste Acetyl-CoA reagiert mit Oxalacetat zu Citrat, das zweite mit Glyoxylat zu Malat. Am Ende steht Oxalacetat wieder bereit. Als Nettoprodukt verlässt Succinat den Kreis, ein \(\ce{C4}\)-Baustein.
\[\ce{2 Acetyl-CoA + NAD+ + 2 H2O -> Succinat + 2 CoA-SH + NADH + H+}\]
Der Kohlenstoff bleibt dabei vollständig erhalten. Im Glyoxylatzyklus findet keine Decarboxylierung statt. Darin liegt der Unterschied zum Citratzyklus, der pro Umlauf zwei C-Atome als \(\ce{CO2}\) abgibt. Nur so werden aus zwei \(\ce{C2}\)-Einheiten ein \(\ce{C4}\)-Körper für die Zuckersynthese.
Auch die Redoxbilanz ist schlank. Einzige Oxidation ist die von Malat zu Oxalacetat, sie liefert ein NADH. FAD wird nicht reduziert, denn die Succinat-Dehydrogenase-Reaktion gehört nicht zum Zyklus. Succinat wird erst außerhalb des Glyoxylatzyklus weiterverarbeitet.
Gemeinsame Enzyme
Drei der fünf Enzyme teilt der Glyoxylatzyklus mit dem Citratzyklus. Sie katalysieren in beiden Wegen dieselbe Reaktion.
| Enzym | Reaktion | Besonderheit |
|---|---|---|
| Citratsynthase | \(\ce{Oxalacetat + Acetyl-CoA + H2O -> Citrat + CoA-SH}\) | Oxalacetat als Acetyl-CoA-Akzeptor |
| Aconitase | \(\ce{Citrat -> Isocitrat}\) | Isomerisierung über cis-Aconitat |
| Malatdehydrogenase | \(\ce{L-Malat + NAD+ -> Oxalacetat + NADH + H+}\) | einzige Oxidation, NADH-Gewinn |
Oxalacetat ist in beiden Zyklen der Akzeptor für Acetyl-CoA. Man kann es sich wie einen Haken vorstellen: Jeder Umlauf hängt dort das erste Acetyl an, und am Ende wird der Haken wieder frei. Die Aconitase verschiebt anschließend die OH-Gruppe und macht aus Citrat das Isocitrat.
Die Malatdehydrogenase schließt den Kreis. Sie oxidiert L-Malat \(\ce{NAD+}\)-abhängig zu Oxalacetat. In beiden Zyklen wird dabei \(\ce{NAD+}\) zu NADH reduziert.
Die gemeinsamen Enzyme werden im Examen gerne gefragt. Achte darauf, Malatdehydrogenase und Malatsynthase auseinanderzuhalten: Die Dehydrogenase oxidiert Malat in beiden Zyklen, die Synthase bildet Malat nur im Glyoxylatzyklus. Enzyme aus dem Mittelteil des Citratzyklus, etwa die Succinyl-CoA-Synthetase, gehören nicht zum Glyoxylatzyklus. Diesen Abschnitt überspringt er, wie die Abbildung zeigt.
Fünf Enzyme, davon drei geliehen: Citratsynthase, Aconitase und Malatdehydrogenase stammen aus dem Citratzyklus. Eigen sind nur die beiden, die Glyoxylat bilden und verbrauchen: Isocitrat-Lyase und Malatsynthase.
Isocitrat-Lyase
Am Isocitrat trennen sich die Wege. Im Citratzyklus oxidiert die Isocitrat-Dehydrogenase Isocitrat zu 2-Oxoglutarat und setzt \(\ce{CO2}\) frei. Im Glyoxylatzyklus übernimmt die Isocitrat-Lyase. Sie spaltet Isocitrat ohne Oxidation in Succinat und Glyoxylat.
\[\ce{Isocitrat -> Succinat + Glyoxylat}\]
Eine Lyase spaltet Bindungen ohne Hydrolyse und ohne Redoxschritt. Hier bricht die C–C-Bindung zwischen C2 und C3 des Isocitrats, ähnlich einer Retro-Aldolreaktion. C1 und C2 werden zu Glyoxylat, die übrigen vier C-Atome bilden Succinat. Einziges Substrat ist Isocitrat. Acetyl-CoA ist an diesem Schritt nicht beteiligt.
Glyoxylat ist das Anion der Glyoxylsäure \(\ce{OHC-COOH}\). Diese kleinste Aldehydcarbonsäure trägt eine Aldehyd- und eine Carboxylgruppe an nur zwei C-Atomen und gibt dem Zyklus seinen Namen.
Die Reaktion kommt nur im Glyoxylatzyklus vor. Das freigesetzte Succinat füllt den Vorrat an \(\ce{C4}\)-Dicarbonsäuren auf. Die Isocitrat-Lyase leitet damit eine anaplerotische Reaktion ein, also eine, die Zwischenprodukte nachliefert.
An Strukturformeln erkennst du den Schritt so: Ein verzweigtes \(\ce{C6}\)-Molekül mit drei Carboxylgruppen und einer OH-Gruppe zerfällt in zwei Teile. Das kleine Bruchstück trägt eine Aldehydgruppe, das große ist eine unverzweigte Dicarbonsäure. Taucht \(\ce{CO2}\) als Produkt auf, liegt dagegen die Isocitrat-Dehydrogenase des Citratzyklus vor.
Malatsynthase
Die Malatsynthase verknüpft Glyoxylat mit dem zweiten Acetyl-CoA des Umlaufs. Unter Wasseraufnahme entsteht L-Malat, und CoA-SH wird frei.
\[\ce{Glyoxylat + Acetyl-CoA + H2O -> L-Malat + CoA-SH}\]
Chemisch ähnelt der Schritt der Citratsynthase. Die Methylgruppe des Acetyl-CoA wird deprotoniert und greift das Aldehyd-C der Glyoxylsäure an. So entsteht Malyl-CoA als Zwischenstufe. Dessen Thioester wird hydrolysiert, dabei werden L-Malat und CoA-SH frei. Man beschreibt die Reaktion deshalb als Kondensation oder als Addition von Acetyl-CoA an Glyoxylat.
Die Malatsynthase-Reaktion solltest du an Strukturformeln sicher erkennen: Glyoxylsäure, also ein \(\ce{C2}\)-Aldehyd mit Carboxylgruppe, plus Acetyl-CoA ergibt eine \(\ce{C4}\)-Hydroxydicarbonsäure und CoA-SH. Dieses Schema gehört eindeutig zum Glyoxylatzyklus, denn im Citratzyklus gibt es die Reaktion nicht.
Im Citratzyklus entsteht L-Malat durch Hydratisierung von Fumarat. Im Glyoxylatzyklus stammt L-Malat dagegen allein aus der Malatsynthase.
Zwischenprodukte
Aus den fünf Reaktionen ergeben sich sechs Zwischenprodukte. Die Tabelle zeigt sie in ihrer Säureform, die in Strukturformeln oft gezeichnet wird.
| Metabolit (Säure) | Säureform | C-Atome | Vorkommen |
|---|---|---|---|
| Oxalacetat (Oxalessigsäure) | \(\ce{HOOC-CO-CH2-COOH}\) | 4 | beide Zyklen |
| Citrat (Citronensäure) | \(\ce{HOOC-CH2-C(OH)(COOH)-CH2-COOH}\) | 6 | beide Zyklen |
| Isocitrat (Isocitronensäure) | \(\ce{HOOC-CH(OH)-CH(COOH)-CH2-COOH}\) | 6 | beide Zyklen |
| Glyoxylat (Glyoxylsäure) | \(\ce{OHC-COOH}\) | 2 | nur Glyoxylatzyklus |
| Succinat (Bernsteinsäure) | \(\ce{HOOC-CH2-CH2-COOH}\) | 4 | beide Zyklen |
| L-Malat (Äpfelsäure) | \(\ce{HOOC-CH(OH)-CH2-COOH}\) | 4 | beide Zyklen |
Die Zuordnung der Zwischenprodukte ist ein Dauerbrenner im Examen. Gemeinsam mit dem Citratzyklus sind Citrat, Isocitrat, Succinat, L-Malat und Oxalacetat, spezifisch ist allein Glyoxylat. 2-Oxoglutarat, Succinyl-CoA und Fumarat gehören nur zum Citratzyklus.
Der Grund für die fehlenden Metaboliten liegt in der Abkürzung. Der Zyklus springt von Isocitrat direkt zu Succinat und Glyoxylat, damit entfallen 2-Oxoglutarat und Succinyl-CoA. Succinat verlässt den Kreis, statt weiter oxidiert zu werden. Deshalb entsteht hier auch nie Fumarat.
Zwei weitere Stoffe liegen außerhalb des Zyklus. Phosphoenolpyruvat entsteht erst danach in der Gluconeogenese aus Oxalacetat. Propionyl-CoA stammt aus dem Abbau ungeradzahliger Fettsäuren und mündet als Succinyl-CoA in den Citratzyklus. Biotin braucht der Glyoxylatzyklus nicht, weil er keine Carboxylierung enthält.
Strukturformeln und Schemata deuten
Zwei Moleküle muss man auf einen Blick erkennen. Bernsteinsäure erscheint in der Skelettschreibweise als kurze Zickzackkette aus vier C-Atomen mit einer Carboxylgruppe an jedem Ende und ohne weitere Substituenten. Glyoxylsäure ist das kleinste Molekül im Schema: eine CHO-Gruppe direkt an einer COOH-Gruppe.
Ein vorgelegtes Reaktionsschema ordnest du in wenigen Schritten zu.
- C-Atome zählen: Vergleiche die Kohlenstoffzahl von Edukten und Produkten.
- Nach \(\ce{CO2}\) suchen: Wird \(\ce{CO2}\) frei, handelt es sich um eine Decarboxylierung des Citratzyklus.
- Spaltung erkennen: \(\ce{C6}\) zerfällt ohne \(\ce{CO2}\) in \(\ce{C4}\) und \(\ce{C2}\)-Aldehyd. Das ist die Isocitrat-Lyase.
- Verknüpfung erkennen: \(\ce{C2}\)-Aldehyd plus Acetyl-CoA ergibt \(\ce{C4}\)-Hydroxysäure und CoA-SH. Das ist die Malatsynthase.
- Leitmetaboliten prüfen: Tauchen 2-Oxoglutarat, Succinyl-CoA oder Fumarat auf, gehört der Schritt zum Citratzyklus.
Die Abbildung zeigt den ganzen Zyklus mit allen Strukturformeln. Die beiden spezifischen Schritte sind farbig hervorgehoben. Auch die beiden Eintrittsstellen des Acetyl-CoA und die NADH-Bildung an der Malatdehydrogenase sind eingezeichnet.
Quiz
Aussage 1
Die Malatdehydrogenase oxidiert sowohl im Glyoxylat- als auch im Citratzyklus L-Malat zu Oxalacetat und reduziert dabei \(\ce{NAD+}\).
Die Malatdehydrogenase ist eines der drei gemeinsamen Enzyme. In beiden Zyklen entsteht bei diesem Schritt NADH.
Aussage 2
Die Succinyl-CoA-Synthetase gehört zu den Enzymen, die Citrat- und Glyoxylatzyklus gemeinsam nutzen.
Gemeinsam sind nur Citratsynthase, Aconitase und Malatdehydrogenase. Die Succinyl-CoA-Synthetase liegt im übersprungenen Mittelteil des Citratzyklus.
Aussage 3
Succinat wird sowohl im Glyoxylatzyklus als auch im Citratzyklus gebildet.
Succinat ist ein gemeinsamer Metabolit. Im Glyoxylatzyklus entsteht es durch die Isocitrat-Lyase, im Citratzyklus aus Succinyl-CoA.
Aussage 4
Die Malatsynthase verknüpft Glyoxylat und Acetyl-CoA unter Aufnahme von Wasser zu L-Malat, wobei CoA-SH frei wird.
Das ist die Malatsynthase-Reaktion. Sie läuft über Malyl-CoA und kommt nur im Glyoxylatzyklus vor.
Aussage 5
Glyoxylat tritt als Zwischenprodukt in beiden Zyklen auf.
Glyoxylat ist das einzige spezifische Zwischenprodukt des Glyoxylatzyklus und im Citratzyklus kein Metabolit.
Aussage 6
Bei einem Umlauf des Glyoxylatzyklus werden zwei Acetyl-CoA aufgenommen, ohne dass \(\ce{CO2}\) freigesetzt wird.
Zwei \(\ce{C2}\)-Körper treten ein, und der Zyklus enthält keine Decarboxylierung. Der Kohlenstoff bleibt im Succinat erhalten.
Aussage 7
Im Glyoxylatzyklus wird bei der Oxidation von Succinat zu Fumarat FAD reduziert.
Die Succinat-Dehydrogenase-Reaktion gehört nicht zum Glyoxylatzyklus. Succinat verlässt den Kreis, und FAD wird nicht reduziert.
Aussage 8
Die Isocitrat-Lyase setzt Isocitrat zusammen mit Acetyl-CoA zu Succinat und Glyoxylat um.
Einziges Substrat der Isocitrat-Lyase ist Isocitrat. Sie spaltet es ohne Beteiligung von Acetyl-CoA in Succinat und Glyoxylat.
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