Entdeckung: Schlüsselenzym des Citratzyklus funktioniert auch "rückwärts"

Der Citratzyklus liefert vielen Organismen Energie durch den Abbau organischer Stoffe. Nun haben Wissenschaftler überraschend herausgefunden, dass ein zentrales Enzym des Citratzyklus, die Citratsynthase, "vorwärts" und "rückwärts" funktioniert. Dies galt bislang als undenkbar.

Neue Erkenntnisse widerlegen aktuelles Lehrbuchwissen

Der Citratzyklus liefert vielen Organismen Energie durch den Abbau organischer Stoffe. Nun haben Wissenschaftler überraschend herausgefunden, dass ein zentrales Enzym des Citratzyklus, die Citratsynthase, "vorwärts" und "rückwärts" funktioniert, also Citrat auch spaltet, statt es aufzubauen. Dies galt bislang als undenkbar.

Vermutlich kennt fast jeder diesen Stoffwechselweg aus dem Biologieunterricht: den Citratzyklus. Er liefert zahlreichen Organismen durch den Abbau organischer Stoffe Energie und ermöglicht ihnen so das Leben. Organismen von Bakterien bis hin zu Menschen nutzen diesen Reaktionskreislauf und verbrauchen dabei Sauerstoff. Manche Mikroorganismen nutzen den Citratzyklus auch bei Abwesenheit von Sauerstoff, also unter anaeroben Bedingungen – zum Teil sogar in umgekehrter Richtung.

Sie bauen Biomasse durch den "reduktiven" Citratzyklus aus Kohlenstoffdioxid auf. Sie fixieren anorganischen Kohlenstoff, wie Pflanzen es bei der Fotosynthese tun. Ein Forscherteam um den Biologen Prof. Dr. Ivan Berg von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) hat nun herausgefunden, dass ein zentrales Enzym des Citratzyklus "vorwärts" und "rückwärts" funktioniert. Die Citratsynthase sorgt für den ersten, namensgebenden Schritt im Citratzyklus – den Aufbau von Citrat. Dass dieser Schritt in lebenden Zellen auch umgekehrt funktioniert, galt bis jetzt als undenkbar.

Die neue Erkenntnis: Bei bestimmten anaeroben Bakterien, die in der Lage sind, anorganischen Kohlenstoff durch den reduktiven Citratzyklus zu fixieren, funktioniert die Citratsynthase rückwärts und spaltet Citrat, statt es aufzubauen. Ihre Ergebnisse stellen die Wissenschaftler aktuell in der Fachzeitschrift Science vor. "Den Studierenden in meiner Vorlesung habe ich noch kurz vor unserer Entdeckung beigebracht, dass die Citratsynthase-Reaktion unter physiologische Bedingungen, also in lebenden Zellen, nur in einer Richtung ablaufen kann", erinnert sich Berg. "Unsere neuen Erkenntnisse widerlegen jetzt Lehrbuchwissen, welches seit Jahrzehnten als gesichert galt."

Citratsynthase in der Kernspinresonanzspektroskopie

Die neu entdeckte Variante des reduktiven Citratzyklus ist der energetisch günstigste Weg der Kohlenstoff-Fixierung. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Varianten wird keine Energie in Form des Energieträgers Adenosintriphosphat (ATP) aufgewendet, um das Citrat in seine Bestandteile Acetyl-CoA und Oxalacetat zu spalten. Das Enzym, welches normalerweise die Citratspaltung im reduktiven Citratzyklus ermöglicht, ist eine sogenannte ATP-abhängige Citratlyase. Dieses Enzym galt als das Schlüsselenzym des "Rückwärts"-Wegs.

Biologen bezeichnen Organismen, die sich von vorhandenen organischen Verbindungen ernähren, als heterotrophe Organismen. Jene, die Biomasse mithilfe von Lichtenergie oder chemischer Energie aufbauen, sind autotroph. Die neuen Studienergebnisse haben Implikationen für ihre Evolution: "Mit der Möglichkeit, die Enzyme des 'vorwärts gerichteten' oxidativen Citratzyklus auch für einen autotrophen Stoffwechsel zu nutzen, kann sich aus einem heterotrophen sehr einfach ein autotropher Organismus entwickeln", sagt Berg. "Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass sich die Fähigkeit zur Autotrophie in der Evolution mehrmals unabhängig entwickelt hat." Viele anaerobe Mikroorganismen haben nach Ansicht der Forscher das Potenzial für eine autotrophe Lebensweise.

Die Entdeckung der Wissenschaftler war ein Zufallsfund. "Bei der Suche nach dem autotrophen Kohlenstoff-Fixierungsweg in dem Bakterium Desulfurella acetivorans haben wir überraschenderweise eine ATP-unabhängige Citratspaltung gesehen", sagt Erstautor Achim Mall aus der Arbeitsgruppe von Ivan Berg. Per Kernspinresonanzspektroskopie, also einer Untersuchung auf atomarer Ebene, wiesen die Forscher nach, dass die Citratsynthase diese Reaktion ermöglicht.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass unerwartete Entdeckungen auch bei der Untersuchung von besonders gut erforschten Stoffwechselwegen möglich sind. Wahrscheinlich warten in der Stoffwechselbiochemie noch weitere Überraschungen auf uns", resümiert Berg.

Das Bakterium Desulfurella acetivorans wurde Ende der 1980er-Jahre in über 50 Grad Celsius heißen Quellen auf der nordostasiatischen Kamtschatka-Halbinsel entdeckt. Es ist ein sogenannter Schwefelatmer, der unter sauerstofffreien Bedingungen lebt. Es kann alternativ heterotroph leben und sich von Acetat ernähren oder autotroph anorganischen Kohlenstoff fixieren.

esanum is an online network for approved doctors

esanum is the medical platform on the Internet. Here, doctors have the opportunity to get in touch with a multitude of colleagues and to share interdisciplinary experiences. Discussions include both cases and observations from practice, as well as news and developments from everyday medical practice.

esanum ist ein Online-Netzwerk für approbierte Ärzte

esanum ist die Ärzteplattform im Internet. Hier haben Ärzte die Möglichkeit, mit einer Vielzahl von Kollegen in Kontakt zu treten und interdisziplinär Erfahrungen auszutauschen. Diskussionen umfassen sowohl Fälle und Beobachtungen aus der Praxis, als auch Neuigkeiten und Entwicklungen aus dem medizinischen Alltag.

Esanum est un réseau en ligne pour les médecins agréés

esanum est un réseau social pour les médecins. Rejoignez la communauté et partagez votre expérience avec vos confrères. Actualités santé, comptes-rendus d'études scientifiques et congrès médicaux : retrouvez toute l'actualité de votre spécialité médicale sur esanum.