3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyratzyklus

Der Stoffwechselweg wurde in thermoacidophilen Archaea der Ordnung Sulfolobales (zum Beispiel Stygiolobus azoricus) nachgewiesen, Vertreter der Abteilung Crenarchaeota.^[1] Diese Mikroorganismen sind entweder mikroaerophil oder im Falle von Stygiolobus strikt anaerob.^[2]

Es steht noch zur Debatte, ob der Zyklus auch in mesophilen, marine Gruppe-I Crenarchaeota betrieben wird.^[2] Diese sind häufig vorkommende Meeresarcheen, die unter mesophilen Bedingungen wachsen.

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Ausgehend von Acetyl-CoA wird in zwei Reaktionsschritten Malonat-Semialdehyd gebildet, welches durch eine Malonat-Semialdehyd-Reduktase in 3-Hydroxypropionat reduziert wird. Für diese Reaktionsschritte werden zwei Moleküle NADPH, ein Molekül ATP und ein Molekül Bicarbonat benötigt. 3-Hydroxypropionat wird über mehrere Intermediate zu Succinyl-CoA umgesetzt, daran beteiligt ist auch ein Vitamin-B₁₂-abhängiges Enzym, die Methylmalonyl-CoA-Mutase.

Aus Succinyl-CoA entsteht katalysiert dann eine Succinat-Semialdehyd-Reduktase unter NADPH-Verbrauch die Bildung von 4-Hydroxybutyrat aus Succinat-Semialdehyd. Die Bildung von 4-Hydroxybutyrat aus 3-Hydroxypropionat benötigt drei Moleküle NADPH, zwei Moleküle ATP, ein weiteres Molekül Bicarbonat und Coenzym A. Schließlich wird 4-Hydroxybutyrat zu Acetoacetyl-CoA unter Verbrauch je eines Moleküls ATP und Coenzym A sowie NAD⁺ umgesetzt. Dieses wird durch eine Acetoacetyl-CoA β-Ketothiolase in zwei Moleküle Acetyl-CoA gespaltet, so dass sich hier der Zyklus schließt und ein Acetyl-CoA freigesetzt wird.

Die Gesamtbilanz für die Bildung von einem Molekül Acetyl-CoA lautet folglich (ohne Bezug auf Coenzym A):

${\displaystyle \mathrm {2\ HCO_{3}^{-}+4\ NADPH/H^{+}+4\ ATP} }$ ${\displaystyle \mathrm {\rightarrow \ Acetyl{\text{-}}CoA+4\ NADP^{+}+4\ ADP+4\ P_{i}} }$

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Dieser Stoffwechselweg wurde erst kürzlich entdeckt und stellt eine Variante des 3-Hydroxypropionatzyklus dar. Bis zur Bildung von Succinyl-CoA entsprechen sich die beiden Zyklen weitestgehend. Jedoch sind die darin beteiligten Enzyme phylogenetisch nicht verwandt und scheinen sich unabhängig voneinander entwickelt zu haben.^[3]

Der Kreislauf deckt sich auch teilweise mit dem kürzlich entdeckten Dicarboxylat/4-Hydroxybutyratzyklus, der auch von Vertretern der Crenarchaeota betreiben wird. Die Bildung von Acetoacyl-CoA aus Succinyl-CoA verläuft in beiden Zyklen identisch.

Die Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff kann man damit erklären, dass ein involviertes Enzym, die 4-Hydroxybutyryl-CoA-Dehydratase, sensitiv gegenüber Sauerstoff ist.^[4]

Das durch den Kreislauf gebildete Acetyl-CoA kann zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) aufgebaut werden und in den Baustoffwechsel einfließen. Hierbei werden weitere Cofaktoren, z. B. Ferredoxin (Fd), benötigt. Die Gesamtbilanz für die Bildung eines Moleküls GAP lautet somit:

${\displaystyle \mathrm {2\ HCO_{3}^{-}+CO_{2}+5\ NAD(P)H/H^{+}+6\ ATP+2\ Fd_{red}\rightarrow \ } }$

${\displaystyle \mathrm {GAP+5\ NAD(P)^{+}+3\ ADP+3\ AMP+4\ P_{i}+2\ PP_{i}+2\ Fd_{ox}} }$

Ob die beiden Moleküle Pyrophosphat hydrolysiert oder als Energiequelle verwendet werden, ist noch nicht bekannt.

Seit kurzem wird diskutiert, ob Pyruvat eher nicht aus Succinyl-CoA, einem Intermediat des Zyklus, gebildet wird.^[2] Dabei wird Succinyl-CoA dem Kreislauf entzogen, zu Malat oder Oxalacetat umgesetzt und schließlich zu Pyruvat decarboxyliert. Um Succinyl-CoA aus Acetyl-CoA zu bilden, werden eineinhalb Runden des 3-Hydroxypropionat/4-Hydroxybutyratzyklus benötigt.

Der Aufbau einer phosphorylierten Triose, GAP, ähnelt energetisch gesehen dem Stoffwechselweg des Calvin-Zyklus, da auch hier neuen ATP-Äquivalente verbraucht werden (AMP zählt doppelt). Beim Calvin-Zyklus gehen jedoch durch die auftretende Photorespiration immer etwas mehr Energie und Reduktionsäquivalente verloren. Darüber hinaus haben die bei der Bicarbonatfixierung beteiligten Carboxylasen eine höhere Wechselzahl (28 ss⁻¹ bei 65 °C) als RuBisCO beim Calvin-Zyklus (5 s⁻¹).