Quelltext der Seite Dicarboxylat/4-Hydroxybutyratzyklus

Der '''Dicarboxylat/4-Hydroxybutyratzyklus''' ist ein biochemischer Stoffkreislauf, der es manchen ''[[Archaea|Archaeen]]'' erlaubt, [[Kohlenstoffdioxid]] (CO<sub>2</sub>), auch in Form von [[Bicarbonat]] (HCO<sub>3</sub><sup>−</sup>), zu [[Kohlenstoffdioxid-Assimilation|assimilieren]]. Der Zyklus kann in zwei Hälften unterteilt werden: Zunächst werden aus [[Acetyl-CoA]], einem Molekül Kohlenstoffdioxid und Bicarbonat ein Molekül [[Succinyl-CoA]] gebildet. Im zweiten Teil entstehen daraus dann über [[4-Hydroxybutansäure|4-Hydroxybutyrat]] zwei Moleküle Acetyl-CoA, wobei das eine für den nächsten Durchlauf verwendet wird. Daher verdankt der Zyklus seinen Namen, da als erste Intermediate [[Dicarbonsäuren]] und im späteren Verlauf 4-Hydroxybutyrat gebildet werden.

== Vorkommen ==
Der Stoffwechselweg wurde ursprünglich im [[Thermophil|hyperthermophilen]] ''Archaeon'' ''[[Ignicoccus]] hospitalis'' der [[Abteilung (Biologie)|Abteilung]] ''[[Crenarchaeota]]'' nachgewiesen. ''I. hospitalis'' ist der Wirt des obligaten Parasiten ''[[Nanoarchaeum equitans]]'', auch ein ''Archaeon''.<ref name="Podar">Podar, M. ''et al''. (2008): ''A genomic analysis of the archaeal system Ignicoccus hospitalis-Nanoarchaeum equitans''. In: ''Genome Biol'' '''9'''(11); R158; PMID 19000309; {{PMC|2614490}}.</ref> ''I. hospitalis'' lebt chemolithoautotroph unter anaeroben Bedingungen.

Auch in ''[[Thermoproteus neutrophilus]]'', einem strikt anaeroben Archaeon, und ''[[Pyrolobus fumarii]]'', einem fakultativ aeroben Archaeon, wurde der Dicarboxylat/4-Hydroxybutyratzyklus nachgewiesen.<ref>Ramos-Vera, WH. ''et al''. (2009): ''Autotrophic carbon dioxide assimilation in Thermoproteales revisited''. In: ''J Bacteriol'' '''191'''(13); 4286–4297; PMID 19411323; {{PMC|2698501}}.</ref><ref>Berg, IA. ''et al''. (2010b): ''Study of the distribution of autotrophic CO2 fixation cycles in Crenarchaeota''. In: ''Microbiology'' '''156''' (Pt 1); 256–269; PMID 19850614; [[doi:10.1099/mic.0.034298-0]].</ref> Ersterer gehört zu der [[Ordnung (Biologie)|Ordnung]] [[Thermoproteales]], letzterer zur [[Desulfurococcales]], beide Vertreter der Crenarchaeota.

== Biochemie ==
[[Datei:DC 4-HB Zyklus.svg|mini|hochkant=1.6|Schematische Darstellung des Dicarboxylat/4-Hydroxybutyratzyklus. Die namensgebenden Intermediate sind eingezeichnet. Bitte auch den Fließtext beachten.]]

Ausgehend von [[Acetyl-CoA]] wird CO<sub>2</sub> durch eine sauerstoffempfindliche Pyruvatsynthase zu [[Pyruvat]] assimiliert, wobei [[Reduktionsäquivalent]]e benötigt werden. Wahrscheinlich stammen diese aus reduzierten [[Ferredoxin]]en. Pyruvat wird dann unter [[Adenosintriphosphat|ATP]]-Verbrauch zu [[Phosphoenolpyruvat]] (PEP) umgesetzt, was eine Pyruvat:Wasser-Dikinase katalysiert. Ein Molekül Bicarbonat reagiert dann mit PEP zu [[Oxalacetat]] durch eine archeeische PEP-Carboxylase.

Oxalacetat wird analog im [[Reduktiver Citratzyklus|reduktiven Citratzyklus]] über <small>L</small>-[[Malat]], [[Fumarat]], [[Succinat]] zu [[Succinyl-CoA]] umgesetzt. Hierbei werden ATP und weitere Reduktionsäquivalente verbraucht. Durch diese isolierbaren Dicarbonsäuren verdankt der Zyklus die eine Hälfte seines Namens.
Aus Succinyl-CoA entsteht durch eine Succinyl-CoA-Reduktase und einer Succinatsemialdehyd-Reduktase unter Verbrauch weiterer Reduktionsäquivalente schließlich 4-Hydroxybutyrat.

4-Hydroxybutyrat wird dann durch mehrere enzymatische Reaktionen zu 4-Hydroxybutyryl-CoA umgesetzt. Aus diesem entsteht durch das Schlüsselenzym des Zyklus, der 4-Hydroxybutyryl-CoA-Dehydratase, [[Crotonyl-CoA]]. Die Hydratase, ein [[Eisen-Schwefel-Cluster|4Fe-4S]] und [[Flavin-Adenin-Dinukleotid|FAD]]-enthaltendes Enzym, katalysiert die Freisetzung des Wassers durch einen Ketylradikalmechanismus.<ref>Berg, IA. ''et al''. (2010a): ''Autotrophic carbon fixation in archaea''. In: ''[[Nat Rev Microbiol]]''. ; PMID 20453874; [[doi:10.1038/nrmicro2365]].</ref> Weitere katalytische Reaktionen formen dieses schließlich über 3-Hydroxybutryryl-CoA in [[Acetoacetyl-CoA]] um. Eine Acetoacetyl-CoA β-[[Ketothiolase]] spaltet schließlich Acetoacetyl-CoA in zwei Moleküle Acetyl-CoA, wodurch der Zyklus geschlossen wird.

Die Bilanz für die Bildung von einem Molekül Acetyl-CoA lautet:

:<math>\mathrm{CO_2 + HCO_3^- + 6\ Fd_{red} + NAD(P)H/H^+ + 3\ ATP + CoA \rightarrow\ }</math> <math>\mathrm{Acetyl\text{-}CoA + + 6\ Fd_{ox} + 4\ NAD(P)^+ + ADP + 2\ AMP + PP_i + 3\ P_i}</math>

Acetyl-CoA wird dann in der Regel durch Fixierung eines weiteren Moleküls CO<sub>2</sub> und Verbrauch von Reduktionsäquivalenten, z. B. Ferredoxin (Fd), sowie ATP zu [[Glycerinaldehyd-3-phosphat]] umgesetzt. Dieses kann dann im Kohlenhydratstoffwechsel weiter metabolisiert werden.

Infolgedessen beläuft sich die Gesamtbilanz für die Bildung eines Moleküls Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP):

:<math>\mathrm{2\ CO_2 + HCO_3^- + 8\ Fd_{red} + 2\ NAD(P)H/H^+ + 5\ ATP \rightarrow\ }</math> <math>\mathrm{GAP + 8\ Fd_{ox} + 2\ NAD(P)^+ + 2\ ADP + 3\ AMP + PP_i + 5\ P_i}</math>

== Biologische Bedeutung ==
Dieser Stoffwechselweg ist der letzte entdeckte Weg zur CO<sub>2</sub>-Fixierung und ähnelt dem [[3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyratzyklus]]. Jedoch verläuft die Bildung zu Succinyl-CoA über Dicarbonsäuren, ab 4-Hydroxybutyrat entsprechen sich beide Zyklen dann wieder weitestgehend.

Der Aufbau einer phosphorylierten [[Triose]], GAP, ist im Vergleich zum [[Calvin-Zyklus]] energetisch etwas günstiger: Es werden acht ATP-Äquivalente benötigt (AMP zählt doppelt).
Bilanz Calvinzyklus:

:<math>\mathrm{3\ CO_2 + 6\ NAD(P)H/H^+ + 9\ ATP  \xrightarrow{Calvin-Zyklus} GAP +  6\ NAD(P)^+ + 9\ ADP + 8\ P_i}</math>

Es sollte aber beachtet werden, dass beim Calvin-Zyklus durch die auftretende [[Photorespiration]] immer etwas Energie (und Reduktionsäquivalente) verloren gehen. Infolgedessen gilt der in der Gleichung angegebene ATP- und NAD(P)-Verbrauch unter optimalen und nicht unter den vorherrschenden Bedingungen in unserer sauerstoffreichen Atmosphäre.

Wegen der zahlreich involvierten sauerstoffempfindlichen Eisen-Schwefel-Proteine und Ferredoxine läuft dieser Zyklus nur unter strikt anaeroben oder mikroaeroben Bedingungen ab. Möglicherweise ist der Stoffwechselweg nur auf wenige ''Crenarchaeota'' beschränkt. Ob es sich hierbei um einen der ersten autotrophen Stoffwechselwege handelt, wird noch diskutiert.

== Literatur ==
* Huber, H. ''et al''. (2008): ''A dicarboxylate/4-hydroxybutyrate autotrophic carbon assimilation cycle in the hyperthermophilic Archaeum Ignicoccus hospitalis''. In: ''[[Proc Natl Acad Sci USA]]'' '''105'''(22); 7851–7856; PMID 18511565; {{PMC|2409403}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Biochemische Reaktion]]
[[Kategorie:Stoffwechselweg]]