Substratzyklus

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Substratzyklen sind Ausnahmefälle im Metabolismus. Sie erscheinen auf den ersten Blick sinnlos, da katabole und anabole Reaktionen gleichzeitig ablaufen. Aus diesem Grunde wurden sie in der Vergangenheit als "futile cycles" (nutzlose Zyklen) bezeichnet.

Abbildung: Beispiel eines Substratzyklus. Gleichzeitige Umwandlung von F-6P in F-1.6BP und umgekehrt.

Gegenläufige Reaktionen wie die Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat (F-6P) zu Fructose-1.6-bisphosphat (F-1.6BP; Reaktion der Glykolyse) bzw. die Rückverwandlung von F-1.6BP zu F-6P (Reaktion der Gluconeogenese) laufen normalerweise nicht simultan ab: beide Stoffwechselwege sind separat reguliert.

Dennoch gibt es einige Gewebe, für die ein solches Phänomen belegt ist. Hierfür werden folgende Gründe in Betracht gezogen:

• die Verstärkung metabolischer Signale. Im obigen Beispiel übersteigt die Phosphorylierung von F-6P zu F-1.6BP (100 Moleküle pro Zeiteinheit) nur leicht die gegenläufige Hydrolyse von F-1.6BP zu F-6P. Durch AMP, ein Energiemangelsignal, werden das Enzym der Hinreaktion (Phosphofructokinase) und das der Rückwärtsreaktion (Fructose-bisphosphatase) gegenläufig reguliert (Anhebung auf 120 Moleküle für PFK, Absenken auf 70 Moleküle für FBPase). Damit steigt der Metabilitenfluss von 10 auf 50 Einheiten, er verfünffacht sich aufgrund einer nur ca. 20%igen Veränderung der Reaktionsgeschwindigkeit in beiden Richtungen.
• Die Erzeugung von Wärme. Der hier gezeigte Substratzyklus "vernichtet" (hydrolysiert) in der Bilanz ATP (Gleichungsschema) und zwar unter Wärmebildung;
  • dieser Mechanismus wurde für die Flugmuskulatur der Hummel nachgewiesen: Hummeln sind nach Winterende bekanntlich die ersten Insekten, die ihre Höhlen verlassen können;
  • Beim Menschen existiert eine seltene Erbkrankheit, die "maligne Hyperthermie". Hier wird ein Substratzyklus durch Narkosegase in einem Prozess ausgelöst, an dem Calciuminonen teilhaben. Eine reguläre Beteiligung von Substratzyklen an der Wärmeerzeugung ist bei Säugern umstritten. Allerdings sinkt für Ratten die Überlebensrate bei 5°C im Falle einer Schilddrüsen-Unterfunktion in Übereinstimmung mit der Tatsache, dass Thyroidhormone in den meisten Geweben den Stoffwechsel anregen.