Malat-Aspartat-Shuttle

Das in der Glykolyse im Zytosol anfallende Coenzym NADH muss im Mitochondrium in die Atmungskette eingeschleust werden, wo es als Elektronendonator zur oxidativen Phosphorylierung von ADP zu ATP beiträgt.

Da die innere mitochondriale Membran für die meisten molekularen Verbindungen undurchlässig ist, muss ein spezielles Transportsystem den Import dieser Stoffe übernehmen. Im Fall von NADH übernimmt das Malat-Aspartat-Shuttle diese Aufgabe, indem Malat im Austausch mit α-Ketoglutarat durch die innere mitochondriale Membran transportiert wird.

Ablauf

Im Zytosol anfallendes NADH wird mittels einer Malat-Dehydrogenase (MDH_C) oxidiert. Dabei werden zwei Elektronen von NADH auf Oxalacetat übertragen, was dadurch zu Malat reduziert wird. Da die innere mitochondriale Membran über einen spezifischen Malat-α-Ketoglutarat-Antiporter verfügt, kann Malat im Austausch mit α-Ketoglutarat in die mitochondriale Matrix gelangen. Hier wird es mittels einer zweiten Malatdehydrogenase (MDH_M), gleich wieder zu Oxalacetat reoxidiert, wobei die Elektronen wieder auf NAD⁺ übertragen werden. Somit ist der Transport von Reduktionsäquivalenten in die mitochondriale Matrix vollzogen.

Das in der Malat-Dehydrogenase-Reaktion (MDH_M) entstandene Oxalacetat wird jetzt von der Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (GOT bzw. AST) zu Aspartat aminiert, wobei es die Aminogruppe von Glutamat empfängt, welches dadurch zu α-Ketoglutarat desaminiert wird. Aspartat gelangt im Austausch mit Glutamat ins Zytosol, wobei Glutamat in die mitochondriale Matrix transportiert wird, um für die Transaminase-Reaktion zur Verfügung zu stehen. Das dabei entstandene α-Ketoglutarat verlässt über den zuvor beschrieben Malat-α-Ketoglutarat-Antiporter die mitochondriale Matrix im Austausch mit Malat, und wird in einer weiteren Transaminasereaktion zu Glutamat aminiert, wobei es die Aminogruppe von Aspartat empfängt, was dabei wieder zu Oxalacetat desaminiert wird. Damit ist der für die zytosolische Malat-Dehydrogenase-Reaktion notwendige Elektronenakzeptor Oxalacetat wieder bereit beladen zu werden, und diese in Form von Malat in die mitochondriale Matrix zu transportieren.

Gluconeogenese

In einer Energiemangellage und speziell im Kontext der Gluconeogenese findet der Transport über das Malat-Aspartat-Shuttle rückwärts statt. Hauptfunktion ist hier die Übertragung von Reduktionsäquivalenten aus dem Mitochondrium, damit diese im Zytosol zur Synthese von Glucose verwendet werden können. Zu diesem Zweck wird Oxalacetat im Malat-Aspartat-Shuttle-System zu Malat reduziert, ins Zytosol transportiert und dort wieder zu Oxalacetat oxidiert.