Glycerin-3-phosphat-Shuttle

2022-05-11T05:24:31Z

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Das '''Glycerin-3-phosphat-Shuttlesystem''' ist ein biochemischer Transportmechanismus in [[Eukaryoten]], der dazu dient, die bei der [[Glycolyse]] anfallende [[Reduktionsäquivalent|Reduktionsäquivalente]] (dort in Form von [[Nicotinamidadenindinukleotid]]) für [[Mitochondrien]] zur Verfügung zu stellen. Hierbei werden die in NADH gespeicherten Elektronen auf [[Ubichinon]] übertragen und somit in die [[Atmungskette]] eingespeist, wo sie zur Erzeugung von [[Adenosintriphosphat]] (ATP) genutzt werden. NAD+ wird dadurch regeneriert und steht für weitere Stoffwechselprozesse wieder zur Verfügung.

Dieser Shuttle läuft wesentlich schneller als der [[Malat-Aspartat-Shuttle]] und wird daher primär in Muskelzellen und im Gehirn verwendet, wo die Energie schnell verfügbar sein muss.

== Hintergrund ==
Im Cytosol eukaryotischer Zellen finden durch [[Katabolismus|katabole]] Prozesse Oxidationen statt, beispielsweise in der [[Glykolyse]]. Dabei werden freiwerdende Elektronen auf NAD+ übertragen, so dass NADH/H+ entsteht. Auch im Zuge des [[Citratzyklus]] werden diese [[Reduktionsäquivalent]]e gebildet, wobei der Citratzyklus in der Matrix des Mitochondriums abläuft. Zur weiteren Energiegewinnung werden die Elektronen dieser Reduktionsäquivalente in die [[Atmungskette]] eingespeist und schließlich auf Sauerstoff übertragen (aerobe Atmung).

Die innere Membran der Mitochondrien ist für NADH bzw. NAD+ nicht durchlässig (permeabel), ebenso nicht für ATP, [[Adenosindiphosphat|ADP]] und [[Proton (Chemie)|Protonen]]. Hiermit ergäben sich zwei Probleme: Zum einen kann das im Cytosol gebildete NADH nicht in die Matrix des Mitochondriums diffundieren, um dort seine Elektronen in die Atmungskette einzuspeisen. Da dadurch NADH zu NAD+ regeneriert wird, könnte auch NAD+ nicht aus der Matrix ins Cytosol gelangen, um dort an katabolen Prozessen weiter zu partizipieren. Im Beispiel der Glykolyse würde diese schnell zum Erliegen kommen, da die Menge an NAD+ im Cytosol begrenzt ist.

Durch zwei Shuttleprozesse wird aber gesichert, dass die im NADH gespeicherten Elektronen in die Mitochondrien transportiert werden und dieses dadurch zu NAD+ regeneriert wird. Nur so ist ein Ausgleich der Reduktionsäquivalente zwischen Cytosol und Mitochondrien möglich. Eines dieser Shuttle ist das Glycerin-3-phosphat-Shuttlesystem und wird im Folgenden dargestellt.

== Vorkommen ==
Das Shuttlesystem wurde in Tieren, Pilzen<ref>Ansell, R. ''et al.'' (1997): ''The two isoenzymes for yeast NAD+-dependent glycerol 3-phosphate dehydrogenase encoded by GPD1 and GPD2 have distinct roles in osmoadaptation and redox regulation''. In: ''[[EMBO J.]]'' '''16'''(9); 2179–2187; [[doi:10.1093/emboj/16.9.2179]], PMID 9171333, {{PMC|1169820}}.</ref> und auch Pflanzen gefunden.<ref>Shen, W. ''et al.'' (2006): ''Involvement of a glycerol-3-phosphate dehydrogenase in modulating the NADH/NAD+ ratio provides evidence of a mitochondrial glycerol-3-phosphate shuttle in Arabidopsis''. In: ''Plant Cell'' '''18'''(2); 422–441; [[doi:10.1105/tpc.105.039750]], PMID 16415206, {{PMC|1356549}}.</ref>

== Mechanismus ==
[[Datei:Glycerin-3-phosphat-Shuttle.svg|mini|hochkant=2|Schema des Glycerin-3-phosphat-Shuttles. Für Einzelheiten bitte Textinhalt beachten. Abkürzungen: ('''1''') Glycerin-3-phosphat; ('''2''') Dihydroxyacetonphosphat; '''cGPD''' cytosolische Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase; '''mGPD''' mitochondriale Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase; '''Cyt''' Cytosol; '''IMR''' Intermembranraum.]]

Im Cytosol wird [[Dihydroxyacetonphosphat]] (DHAP) zu [[Glycerin-3-phosphat]] [[Reduktion (Chemie)|reduziert]]. Dabei wird NADH/H+ zu NAD+ [[Oxidation|oxidiert]]. Diese Reaktion wird von einer löslichen, NADH/H+-abhängigen ''cytosolischen'' [[Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase]] (cGPD, {{EC|1.1.1.8}}) katalysiert. In einem zweiten Schritt wird an der inneren mitochondrialen Membran das Glycerin-3-phosphat wieder zu Dihydroxyacetonphosphat oxidiert. Die dabei wieder freiwerdenden Elektronen und Protonen werden auf enzymgebundenes [[Flavin-Adenin-Dinukleotid]] (FAD) übertragen, das dadurch zu FADH2 reduziert wird. Diese Reaktion katalysiert eine membrangebundene, FAD-abhängige ''mitochondriale'' Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase (mGPD, {{EC|1.1.5.3}}). Dieses FADH2 wird wieder zu FAD oxidiert, wobei dabei [[Ubichinon]] der inneren Mitochondrienmembran reduziert wird. Letzteres gibt die Elektronen an den [[Cytochrom-c-Reduktase|Komplex III]] in der Atmungskette weiter.

Der [[NADH-Dehydrogenase|Komplex I]] der Atmungskette wird bei diesem Shuttle übergangen, so dass in der Bilanz pro FADH2 nur 1,5 Einheiten ATP gebildet werden (bei NADH/H+ sind es 2,5). Bei Benutzung dieses Transportsystems im Gegensatz zum [[Malat-Aspartat-Shuttle]] ist die Energieausbeute aus der kompletten Oxidation eines [[Molekül]]s [[Glucose]] daher etwas geringer, sie beträgt statt durchschnittlich 32 ATP nur 30 ATP.

== Einzelnachweise ==
<references />

{{SORTIERUNG:Glycerinphosphatshuttle #3}}
[[Kategorie:Biochemische Reaktion]]
[[Kategorie:Transportprotein]]

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