Malatschleuse

Die Malatschleusen sind (Shuttle-)Systeme, mit denen Reduktionsäquivalente zwischen Cytosol und Mitochondrien ausgetauscht werden können. (ein anderer solcher Weg ist das sog Glycerin-3-Phosphat-Shuttle).

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Viele Stoffwechselwege laufen teilweise im Cytosol, teilweise in den Mitochondrien ab, so dass ein reger Stoffaustausch über die Mitochondrienmembranen erforderlich wird. Diese scheinbare Komplikation eröffnet wichtige Regulationsmöglichkeiten, z. B. in der Gluconeogenese.

Die sonst undurchlässige Mitochondrien-Innenmembran enthält Antiport-Systeme, die Metaboliten im Gegentausch zwischen den Kompartimenten bewegen. Als Beispiel seien hier Varianten der Malat-Aspartat-Schleuse, bestehend aus zwei Antiport-Systemen, eingeführt:

• wenn Malat (Mal) in das Mitochondrion befördert wird, muss gleichzeitig ein Molekül α-Ketoglutarat (α-KG) das Mitochondrion verlassen (und umgekehrt), um die Stoffbilanz zu gewähren;
• analog kann Aspartat (Asp) nur im Gegentausch zu Glutamat (Glu) die Kompartimente wechseln.

Beide Antiporter sind funktionell miteinander verbunden. Dabei hängt die Transportrichtung wie folgt mit dem Energiestatus der Zelle zusammen:

Energiemangel-Situation

Die Energieladung im Cytosol ist kritisch, d.h. es herrscht ATP-Mangel. Der Ausgleich erfolgt am effizientesten, wenn cytosolisches NADH,H⁺ zum oxidativen ATP-Gewinn in die Mitochondrien (d.h. die Atmungskette) gebracht wird (rote Symbole). Aufgrund seiner molekularen Größe kann NADH,H⁺ die Innenmembran nicht passieren, deshalb werden die Reduktionsäquivalente zur Herstellung vom Malat aus Oxalacetat (OA) eingesetzt. Nach dessen Passage läuft im Mitochondriun die inverse Reaktion ab: Oxidation von Malat bei Bildung von Oxalacetat. Gäbe es nun für OA eine Schleuse, so ließe sich der Kreislauf schließen, dies ist jedoch nicht der Fall:

• OA muss zu Aspartat (Asp) transaminiert werden; Asp kann mit Hilfe eines Antiports im Tausch für Glutamat (Glu) das Mitochondrion verlassen und wird (in gegenläufiger Reaktionsfolge) im Cytosol regeneriert, wofür die Aminogruppe auf den obligatorischen Akzeptor α-Ketoglutarat (α-KG) übertragen werden muss;
• der Transfer des α-KG ist nur im Gegentausch zu Mal möglich, womit sich der Kreis schließt.
• in der Atmungskette erzeugtes ATP verlässt das Mitochondrion im Gegentausch zu ADP (nicht gezeigt).

Energieüberschuss-Situation

Im Cytosol werden zur Einleitung biosynthetischer Wege (Anabolismus) Reduktionsäquivalente in Form von NADPH,H⁺ benötigt (grüne Symbole). Soweit oben beschrieben, ermöglicht das Schleusensystem jedoch lediglich den Transport von NADH,H⁺, dessen Rolle weitgehend auf den Katabolismus beschränkt ist.

Hier ist deshalb eine andere Malatdehydrogenase (MDH), das so genannte Malatenzym (ME) eingeschaltet. Dieses koppelt die Oxidation des Malats mit der Decarboxylierung des intermediär auftretenden Oxalacetats, wobei Pyruvat (Pyr) entsteht; durch die Decarboxylierung wird die Reaktion dabei in der gewünschten Richtung "getrieben". Wird Pyr in die Gluconeogenese eingeschleust, so ist seine erneute Carboxylierung zu OA unter ATP-Aufwand erforderlich.

Abbildung: Varianten der Malatschleuse

Siehe auch

• Glycerin-3-Phosphat-Shuttle
• Malat-Aspartat-Shuttle