Ungewöhnliche Mitochondrien bei Protozoen

Spleißvarianten gebildet werden können die anschließend im Zytosol verbleiben. Jedoch gibt es bisher keine Hinweise dafür.

Desweiteren wurde im Mitochondrium eine FAD-abhängige Malat-Dehydrogenase, auch als Malat:Quinone-Oxidoreduktase bezeichnet, lokalisiert, die FAD⁺ anstatt NAD⁺ als Elektronenakzeptor nutzt und diese direkt an das Coenzym Q weiterzuleiten. Diese Reaktion ist energetisch ungünstiger als die der MDH, allerdings nicht reversibel.

4.2.2 Ungewöhnliche Mitochondrien bei Protozoen

Die klassische Funktion des Zitronensäure-Zyklus scheint nicht nur bei Toxoplasma gondii zu fehlen, auch bei anderen Protozoen, wie z.B. Trypanosoma brucei und Plasmodium ssp.

erfüllt der TCA-Zyklus unterschiedliche Funktionen.

Trypanosoma brucei ist ein einzelliger Eukaryont und der Erreger der Schlafkrankheit, der in unterschiedlichen Stadien in seinem Zwischen- und Endwirt vorkommt. An diese unterschiedlichen Umgebungen hat sich dieses Protozoan mit seinem Stoffwechsel angepasst.

Neben Kohlenstoffverbindungen werden auch Prolin und Threonin für die Energiegewinnung genutzt. Alle Enzyme für einen vollständigen TCA-Zyklus sind im Genom codiert und werden exprimiert. Die Funktion des Zyklus ist relativ ungewöhnlich (s. Abb. 29). Von van Weelden et al. 2005 und van Hellemond et al. 2005 wurde gezeigt, dass der Zitronensäure-Zyklus sowohl an ana- wie katabolischen Prozessen beteiligt ist. Der Bereich des Zitronensäure-Zyklus von α-Ketoglutarat bis zur Synthese von Succinat wird für den Abbau von Prolin genutzt, einem katabolischen Prozess. Das für die Fettsäuresynthese benötigte Acetyl-CoA muss aus dem Mitochondrium ins Zytosol transportiert werden. Dies geschieht über ein Malat-Citrat-Shuttle System, bei dem Citrat anschließend im Zytosol in Oxalacetat und Acetyl-CoA aufgespalten wird. Folglich stellt die mitochondriale Citratsynthase das für diesen Prozess benötigte Citrat zur Verfügung. Die Malat-Dehydrogenase ist für die Bereitstellung von Oxalacetat und der PDH-Komplex für das notwendige Acetyl-CoA verantwortlich, aus denen anschließend Citrat synthetisiert wird. Eine weitere anabolische Funktion führt der Zyklus durch seine Teilnahme an der Gluconeogenese aus. Succinat wird in Malat umgewandelt, das anschließend ins Zytosol transportiert wird und dort für die Phosphoenolpyruvat Synthese benötigt wird (van Weelden et al., 2005). Es konnte gezeigt werden, dass der Prolinabbau über Teile des TCA-Zyklus mit den Zwischenstufen α-Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Succinat, Fumarat, Malat erfolgt. Anschließend wird Malat aus dem Mitochondrium ins Zytosol transportiert und dort

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über PEP in weitere Produkte umgesetzt wird. Bis auf die Aconitase und die Isocitrat-Dehydrogenase haben alle am Zitronensäure-Zyklus beteiligten Enzyme eine andere Aufgabe übernommen. Da für die Isocitrat-Dehydrogenase, die ebenfalls eine NADP⁺-abhängige ist, nur eine sehr geringe Aktivität nachgewiesen werden konnte und eine Aconitase-Deletionsmutante keinerlei Phänotyp zeigte, wird angenommen, dass der TCA-Zyklus nicht mehr seiner ursprünglichen Aufgabe nachkommt (van Weelden et al., 2005; van Hellemond et al., 2005).

Abb. 29: Schematische Darstellung der ungewöhnlichen Funktion des TCA-Zyklus von Trypanosoma brucei (modifiziert nach van Weelen et al., 2005). Die einzelnen metabolischen Unterteilungen sind farblich unterlegt, einmal die Synthese von Succinat aus Prolin, gefolgt von der Umwandlung des Succinat zu Oxalacetat im Zytosol und drittens die Citratsynthese für die Biosynthese der Fettsäuren.

Cryptosporidium parvum, ein weiteres Mitglied des Phylum der Apicomplexa, besitzt kein Mitochondrium mehr. Es ist sekundär wieder verloren gegangen. Allerdings konnte ein mitochondriales Kompartiment identifiziert werden, das aber kein eigenes Genom besitzt.

Nach der Sequenzierung und Annotation des kompletten Genoms wurden zwar Proteine identifiziert, die ein klassisches Importsignal tragen, darunter waren aber keine Enzyme des Zitronensäure-Zyklus (Xu et al., 2004).

Auch bei Plasmodium falciparum ist die Funktion des TCA-Zyklus noch weitgehend ungeklärt. Wie bei Toxoplasma befindet sich der einzige PDH-Komplex im Apicoplasten und

CS

4. Diskussion ₁₀₅

damit fehlt die Zufuhr von Acetyl-CoA, um aus Oxalacetat Citrat zu synthetisieren, obwohl auch hier eine Citratsynthase im Mitochondrium lokalisiert ist. Die im Zyklus folgende Aconitase spiegelt eine Besonderheit wieder. Sie scheint eine Doppelfunktion zu haben: Zum einen im Zytosol als Eisen-Response-Protein (IRP) und zum anderen gleichzeitig im Mitochondrium bei der klassischen Synthese von Citrat zu Isocitrat (Hodges et al., 2005).

Auch die folgende Isocitrat-Dehydrogenase, vergleichbar zu der von Trypanosoma brucei und Toxoplasma gondii, ist nicht auf NAD⁺ sondern auf NADP⁺ als Co-Faktor angewiesen.

Bei Plasmodium falciparum wurde sie allerdings relativ gut charakterisiert und es konnte gezeigt werden, dass sie bei oxidativem Stress hoch reguliert ist (Wrenger und Muller, 2003).

Das dabei gebildete NADPH scheint anschließend als Reduktionsäquivalent für Enzyme des Antioxidantsystems zu dienen (Muller 2004). Die folgenden Schritte innerhalb des Kreislaufs unterscheiden sich scheinbar nicht: Sowohl sämtliche Untereinheiten der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase als auch eine GTP- und eine ATP-abhängige Succinyl-CoA-Synthetase sind vorhanden, genauso wie die Succinat-Dehydrogenase. Die folgende Fumarase gehört ebenfalls zu der Klasse II dieser Enzyme, wie es für T. gondii in dieser Arbeit gezeigt werden konnte. Der letzte Schritt dieses Zyklus, die Umwandlung von Malat in Oxalacetat, wird von einer FAD-abhängigen Malat-Dehydrogenase vorgenommen. Im Gegensatz zu Toxoplasma befindet sich keine weitere MDH im Mitochondrium, sondern hier ist eine Isoform im Zytosol lokalisiert. Die genaue Funktion dieses TCA-Zyklus ist noch vollständig unverstanden (s.

Abb. 30). Microarray-Daten zeigten allerdings, dass in den Ookineten die Expression fast aller Enzyme dieses Zyklus Hochreguliert ist (van Dooren et al., 2006).

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Acetyl-CoA

Abb. 30: Schematische Darstellung des TCA-Zyklus im Mitochondrium von Plasmodium falciparum, sowie die bisher identifizierten Shuttlesysteme