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Energiehaushalt: Der rätselhafte Stoffwechsel des Malariaparasiten

Infizierter Erythrozyt
Alles, was in der Zelle gut und richtig ist, war einmal ATP. Dieses Molekül, ausgeschrieben Adenosintriphosphat, treibt mit der in ihm gespeicherten Energie alle Funktionen der Zelle an – von der Bildung neuer Biomoleküle bis hin zu den Umbauten des Zellskeletts, durch die sich eine Zelle fortbewegt. In Sauerstoff atmenden Organismen stammt das ATP aus dem Citratzyklus, in dem energiereiche Verbindungen mit Hilfe von Sauerstoff zu Kohlendioxid abgebaut werden. Diese Form der Energiegewinnung ist um den Faktor 18 effektiver als selbst die beste Alternative, und deswegen gewinnt jeder Organismus mit der nötigen molekularen Maschinerie sein ATP aus dem Citratzyklus (auch Zitronensäurezyklus genannt).

Mit einer bemerkenswerten Ausnahme, die ein Team um Joshua Rabinowitz von der Princeton University in New Jersey jetzt durch sorgfältige Untersuchungen aufdeckte: Bei der in roten Blutkörperchen ansässigen Form von Plasmodium falciparum, der gefährlichsten der vier Malariaerreger, erzeugt der für die meisten anderen Lebewesen so entscheidende Citratzyklus kein ATP und läuft sogar teilweise rückwärts.

Lebenszyklus von Plasmodium | Der Parasit Plasmodium falciparum führt einen komplizierten Lebenswandel mit verschiedenen Stadien in Mücke und Mensch.
Mit Hilfe isotopenmarkierter Kohlenstoff- und Stickstoffquellen und hochempfindlicher Analyseverfahren untersuchten die Forscher, wie sich aufgenommene Nahrung durch den Stoffwechsel des Parasiten bewegt. Dabei machten sie bei den ersten Stufen des Zuckerstoffwechsels eine überraschende Entdeckung: Plasmodium fehlt der Mechanismus, um den Zucker Glukose in den Citratzyklus einzuspeisen, und damit das entscheidende Element seines Energiestoffwechsels. Denn der ganze Sinn des Citratzyklus ist, die energiereiche Glukose mit Hilfe von Sauerstoff vollständig abzubauen und dabei als Energieernte 36 Moleküle ATP zu gewinnen. Ohne Citratzyklus muss der Organismus die Glukose zu Ethanol oder Milchsäure vergären und gewinnt dabei nur zwei Moleküle ATP für jede Zuckereinheit.

Warum Plasmodium diesen ineffizienten Weg der Energiegewinnung geht, ist völlig rätselhaft, denn die Maschinerie des Citratzyklus ist bei ihm nahezu vollständig vorhanden. Nur nutzt der Parasit sie aus noch unbekannten Gründen völlig anders. Wo in anderen Lebewesen die Bereitstellung bestimmter Stoffwechselprodukte nur eine weitere Funktion dieses Reaktionspfades ist, stellt sie bei Plasmodium seine zentrale Funktion dar.

Als Konsequenz dieser Umwidmung geht auch eine weitere zentrale Eigenschaft des Citratzyklus verloren – er ist kein Zyklus mehr. Wandern die beteiligten Stoffe unter normalen Umständen immer in Richtung der höheren Oxidation durch den geschlossenen Kreis von Reaktionen, spaltet sich der Zyklus bei Plasmodium gemäß seiner neuen Funktion in zwei Arme auf, von denen einer in oxidativer, der andere in reduktiver Richtung verläuft – ein Teil des Zyklus kehrt seine Richtung um. Als Ergebnis dieser Umbauten produziert das System nun aus den Aminosäuren Glutamat und Glutamin Zitronensäure und Bernsteinsäure, aus denen er wiederum weitere Stoffwechselprodukte herstellt. Derzeit ist nicht einmal klar, ob Plasmodium die Komponenten des Citratzyklus überhaupt zum Leben braucht. (lf)

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  • Quellen
Rabinowitz, J. et al: Branched tricarboxylic acid metabolism in Plasmodium falciparum. In Nature 466, S. 774, 2010.

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