Referat_Biosynthese_von_Cholesterin_und_Gallensaeuren
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Slide 1
Biosynthese von Cholesterin und
Gallensäuren
Seminarvortrag von Bettina Riegger
Slide 2
Bedeutung des Cholesterins
Cholesterin
Lebensnotwendiger
Baustein
Krankmachende
Substanz
• Wichtige “Bausubstanz”
• Hauptrisikofaktor für
die Entstehung von
Arteriosklerose
• Verursacher enormer
Kosten im
Gesundheitssystem
• hohes Gewinnpotential
für Pharmakonzerne
Slide 3
Lipobay (Cerviastatin)
• HMG-CoA-ReduktaseHemmer (Statin) der
Firma Bayer
• Einführung 1997
• August 2001 vom Markt
genommen
• 52 Todesfälle durch
Rhabdomyolyse mit
folgendem
Nierenversagen
Slide 4
Cholesterin-Steckbrief
• Eine C27-Verbindung
• Acetyl-CoA-Derivat
• essentieller
Membranbaustein:
verringert Fluidität von
Membranen
• Vorstufe von Gallensäuren
• Vorstufe von Vitamin D
• Vorstufe von
Steroidhormonen
Slide 5
Konrad Bloch
•
•
•
•
Geboren 21.01.1912
gestorben Oktober 2002
Chemiker
1964 Nobelpreis für die
Aufklärung der
Cholesterin-Biosynthese
Feodor Lynen
•
•
•
•
Geboren 06.04.1911
gestorben 1979
Chemiker
1964 Nobelpreis für die
Aufklärung der
Cholesterin-Biosynthese
Slide 6
Das Prinzip der
Cholesterin-Biosynthese
• Findet hauptsächlich
in den Hepatozyten,
den Zellen der
Darmmukosa und in
der Haut statt
• Lokalisation:
Cytoplasma,
endoplasmatisches
Retikulum
Slide 7
Cholesterin-Biosynthese 1
Bildung von ß-HMG-CoA aus Acetyl-CoA
• Cytosolische
Reaktionssequenz
• Ziel: Herstellung aktivierter
Isoprenreste, Synthese eines
verzweigten C5-Körpers aus
Acetyl-CoA
Slide 8
Cholesterin-Biosynthese 2
Reduktion von ß-HMG-CoA durch die ß-HMG-CoA-Reduktase
• Geschwindigkeitsbestimmender
Schritt der Cholesterin-Synthese
• Bildung von Mevalonsäure (C6),
Verbrauch von 2 mol NADPH
• Reduktion an der Thioestertragenden Carboxylgruppe
• Nach der HMG-CoAReduktase-Reaktion verzweigt
sich der Stoffwechselweg
• Möglichkeit, die Synthese aller
Produkte zu kontrollieren
Slide 9
Cholesterin-Biosynthese 3
Bildung von Isopentenylpyrophosphat (C5) aus Mevalonat (C6)
• Phosphorylierung
• Decarboxylierung
• aktives Isopren
Slide 10
Cholesterin-Biosynthese 4
Isopentenyl-PP (C5) isomerisiert zu Dimethylallyl-PP (C5)
Bildung von Geranyl-PP (C10)
Slide 11
Cholesterin-Biosynthese 5
Bildung von Farnesyl-PP (C15)
Kondensation von 2 mol Farnesyl-PP (C15) zu Squalen (C30)
• Polymerisierung von
6 Isoprenresten
unter NADPHVerbrauch: C30Körper (Squalen)
• zur Erinnerung:
Cholesterin ist ein
C27-Körper
Slide 12
Cholesterin-Biosynthese 6
Squalen-Monooxygenase
Alle folgenden Schritte der Synthese laufen im ER ab!
• Monooxygenase: ein Enzym des ER
• nur ein O-Atom des Sauerstoffs wird auf das
Substrat übertragen, das andere wird in Wasser
eingebaut
• Monooxygenasen sind auch beteiligt an der
- Synthese von Steroidhormonen und Vitamin D
- Inaktivierung von Steroiden
- Bildung von Gallensäuren aus Cholesterin
Slide 13
Cholesterin-Biosynthese 7
Zyklierung des Squalenepoxids zum Lanosterin (C30)
• Ringschluß durch
Umklappen der
Doppelbindungen
• Umlagerung von
Methylgruppen
• Hydroxylierung
am C3-Atom
Slide 14
Cholesterin-Biosynthese 8
Umwandlung von Lanosterin (C30) in Cholesterin (C27)
• 19 Reaktionen, die durch
Enzyme an der Membran
des ER katalysiert werden
• Sättigung der Seitenkette
• Umlagerung der
Doppelbindung
• Abspaltung von drei
Methyl-Gruppen
• Einige dieser Reaktionen
benötigen O2 und NADPH.
Slide 15
Seitenwege der
Cholesterin-Biosynthese
Zwischenprodukte:
• Dolichol (Synthese von
Oligosacchariden bei der
Synthese von Glycoproteinen)
• Ubichinon (Atmungskette)
• Membrananker (Farnesylund Geranlygruppen)
Slide 16
Regulation der
Cholesterin-Biosynthese
• Short-term Regulation
(Kurzzeitregulation)
• Long-term Regulation
(Langzeitregulation)
• kompetitive Inhibition
Slide 17
HMG-CoA-Reduktase
• cytosolisches Enzym, das durch 7
Transmembranhelices an die Membran des ER
gebunden ist
• Schrittmacher-Enzym der CholesterinSynthese
• interkonvertierbares Enzym:
dephosphorylisierte Form ist aktiver
Slide 18
Short-term Regulation
Regulation über Interkonversion
• Dephosphorylisierte Form der HMG-CoAReduktase ist aktiver
• Phosphorylisierung über cAMP-abhängige KinaseKaskade: damit Inaktivierung
• hormonelle Kontrolle des cAMP-Spiegels:
– Glucagon Erhöhung des cAMP-Spiegels
Hemmung der Cholesterin-Synthese
– Insulin Erniedrigung des cAMP-Spiegels
Stimulation der Cholesterin-Biosynthese
Slide 19
Long-term Regulation
Regulation auf Ebene der Transkription
SRE-BP
N
Cholesterin
N
C
Gen mit SRE
ER Lumen
Vorläufer
SRE-BP
mRNA
• Promoter mit Sequenz eines “steral regulated element” (SRE)
• Gene für HMG-CoA-Reduktase, HMG-CoA-Synthase, Prenyltransferase
und LDL-Rezeptor betroffen: Regulation der Eigensynthese und der
Aufnahme über LDL-Rezeptoren
Slide 20
Kompetitive Inhibition
• Statine sind kompetitive
Inhibitoren der HMG-CoAReduktase mit
Srukturähnlichkeiten zum
Mevalonat
• Vermehrte Aufnahme von
Cholesterin über LDL-Rezeptoren
durch SREBP-2
• Angriffspunkt vor der Verzweigung
des Stoffwechselwegs, so auch
Kontrolle der Seitenwege möglich
Slide 21
Behandlung mit Statinen
Slide 22
Alternative Hemmung der HMGCoA-Reduktase ohne Statine
• Hemmung durch wäßriger Knoblauch-Extrakt
• Hemmung durch Mevalolacton: intramolkularer
Mevalonsäureester, der die HMG-CoA-Reduktase
inhibiert, indem es deren Phosphorylisierung
stimuliert
• Hemmung durch SRE-Liganden: täuschen
Cholesterin-Armut vor, Aufnahme von Cholesterin
unabhängig von der intrazellulären Konzentration
Slide 23
Abbau von Cholesterin
• Säugetiere sind nicht in
der Lage das SteranGerüst abzubauen
• Aussscheidung von
Cholesterin vor allem als
Cholesterin oder nach
Umwandlung in
Gallensäuren über die
Galle! (etwa 1g pro Tag)
Slide 24
Biosynthese der Gallensäuren
• Synthese in der Leber aus Cholesterin
• Einführung von OH-Gruppen am
Steranring:
geschwindigkeitsbestimmender
Schritt an C7
• Oxidation von C24 zur
Carboxylgruppe
• Sättigung der 5,6-Doppelbindung
• Regulation über das
Schrittmacherenzym, die Cholesterin
7-alpha- Hydroxylase: potentieller
Angriffspunkt für die therapeutische
Beeinflussung der
Gallensäurensynthese
Slide 25
Konjugation der Gallensäuren
• Aktivierung der
primären Gallensäuren
durch ATP und CoA
• Konjugation der
aktivierten
Carboxylseitenkette
mit Glycin oder Taurin
Slide 26
Funktion der Gallensäuren
• Emulgatoren: Micellenbildung
• Resorption von Fetten und fettlöslichen
Vitaminen
• Endprodukt des Cholesterin-Soffwechsels
• Ausscheidungsmöglichkeit für Cholesterin
Slide 27
Enterohepatischer Kreislauf der
Gallensäuren
Leber
Vena porta
Darm
• Primäre Gallensäuren:
Cholsäure,
Chenodesoxycholsäure
• sekundäre Gallensäuren:
Entstehung unter
Einwirkung der Darmflora
• konjugierte Gallensäuren:
nach Konjugation mit
Taurin bzw. Glycin
• Gallensäuren durchlaufen
den Kreislauf 6-10 mal pro
Tag
Slide 28
Einfluß der Gallensäuren auf die
Cholesterin-Biosynthese
• Gallensäuren hemmen die CholesterinBiosynthese
• Hemmung der Cholesterinbiosynthese durch orale
Zufuhr von freien und konjugierten Gallensäuren
in hohen Konzentrationen
• Verminderte Rückresportion der Gallensäuren
steigert Cholesterin-Biosynthese in der Leber
• Umwandlung in Gallensäuren stark beschleunigt
Cholesterinspiegel im Blut sinkt
Slide 29
Zusammensetzung der Galle
Slide 30
Löslichkeitsdiagramm für Galle
Erhöhte Cholesterinsekretion
•erhöhte Synthese
•Hemmung der Veresterung
Verminderte
Phosphatidylcholin-Synthese
Gallensäuren
•Verminderte Gallensalzsekretion
•Erhöhter Gallensalzverlust
Slide 31
Gallensteine
Biosynthese von Cholesterin und
Gallensäuren
Seminarvortrag von Bettina Riegger
Slide 2
Bedeutung des Cholesterins
Cholesterin
Lebensnotwendiger
Baustein
Krankmachende
Substanz
• Wichtige “Bausubstanz”
• Hauptrisikofaktor für
die Entstehung von
Arteriosklerose
• Verursacher enormer
Kosten im
Gesundheitssystem
• hohes Gewinnpotential
für Pharmakonzerne
Slide 3
Lipobay (Cerviastatin)
• HMG-CoA-ReduktaseHemmer (Statin) der
Firma Bayer
• Einführung 1997
• August 2001 vom Markt
genommen
• 52 Todesfälle durch
Rhabdomyolyse mit
folgendem
Nierenversagen
Slide 4
Cholesterin-Steckbrief
• Eine C27-Verbindung
• Acetyl-CoA-Derivat
• essentieller
Membranbaustein:
verringert Fluidität von
Membranen
• Vorstufe von Gallensäuren
• Vorstufe von Vitamin D
• Vorstufe von
Steroidhormonen
Slide 5
Konrad Bloch
•
•
•
•
Geboren 21.01.1912
gestorben Oktober 2002
Chemiker
1964 Nobelpreis für die
Aufklärung der
Cholesterin-Biosynthese
Feodor Lynen
•
•
•
•
Geboren 06.04.1911
gestorben 1979
Chemiker
1964 Nobelpreis für die
Aufklärung der
Cholesterin-Biosynthese
Slide 6
Das Prinzip der
Cholesterin-Biosynthese
• Findet hauptsächlich
in den Hepatozyten,
den Zellen der
Darmmukosa und in
der Haut statt
• Lokalisation:
Cytoplasma,
endoplasmatisches
Retikulum
Slide 7
Cholesterin-Biosynthese 1
Bildung von ß-HMG-CoA aus Acetyl-CoA
• Cytosolische
Reaktionssequenz
• Ziel: Herstellung aktivierter
Isoprenreste, Synthese eines
verzweigten C5-Körpers aus
Acetyl-CoA
Slide 8
Cholesterin-Biosynthese 2
Reduktion von ß-HMG-CoA durch die ß-HMG-CoA-Reduktase
• Geschwindigkeitsbestimmender
Schritt der Cholesterin-Synthese
• Bildung von Mevalonsäure (C6),
Verbrauch von 2 mol NADPH
• Reduktion an der Thioestertragenden Carboxylgruppe
• Nach der HMG-CoAReduktase-Reaktion verzweigt
sich der Stoffwechselweg
• Möglichkeit, die Synthese aller
Produkte zu kontrollieren
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Cholesterin-Biosynthese 3
Bildung von Isopentenylpyrophosphat (C5) aus Mevalonat (C6)
• Phosphorylierung
• Decarboxylierung
• aktives Isopren
Slide 10
Cholesterin-Biosynthese 4
Isopentenyl-PP (C5) isomerisiert zu Dimethylallyl-PP (C5)
Bildung von Geranyl-PP (C10)
Slide 11
Cholesterin-Biosynthese 5
Bildung von Farnesyl-PP (C15)
Kondensation von 2 mol Farnesyl-PP (C15) zu Squalen (C30)
• Polymerisierung von
6 Isoprenresten
unter NADPHVerbrauch: C30Körper (Squalen)
• zur Erinnerung:
Cholesterin ist ein
C27-Körper
Slide 12
Cholesterin-Biosynthese 6
Squalen-Monooxygenase
Alle folgenden Schritte der Synthese laufen im ER ab!
• Monooxygenase: ein Enzym des ER
• nur ein O-Atom des Sauerstoffs wird auf das
Substrat übertragen, das andere wird in Wasser
eingebaut
• Monooxygenasen sind auch beteiligt an der
- Synthese von Steroidhormonen und Vitamin D
- Inaktivierung von Steroiden
- Bildung von Gallensäuren aus Cholesterin
Slide 13
Cholesterin-Biosynthese 7
Zyklierung des Squalenepoxids zum Lanosterin (C30)
• Ringschluß durch
Umklappen der
Doppelbindungen
• Umlagerung von
Methylgruppen
• Hydroxylierung
am C3-Atom
Slide 14
Cholesterin-Biosynthese 8
Umwandlung von Lanosterin (C30) in Cholesterin (C27)
• 19 Reaktionen, die durch
Enzyme an der Membran
des ER katalysiert werden
• Sättigung der Seitenkette
• Umlagerung der
Doppelbindung
• Abspaltung von drei
Methyl-Gruppen
• Einige dieser Reaktionen
benötigen O2 und NADPH.
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Seitenwege der
Cholesterin-Biosynthese
Zwischenprodukte:
• Dolichol (Synthese von
Oligosacchariden bei der
Synthese von Glycoproteinen)
• Ubichinon (Atmungskette)
• Membrananker (Farnesylund Geranlygruppen)
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Regulation der
Cholesterin-Biosynthese
• Short-term Regulation
(Kurzzeitregulation)
• Long-term Regulation
(Langzeitregulation)
• kompetitive Inhibition
Slide 17
HMG-CoA-Reduktase
• cytosolisches Enzym, das durch 7
Transmembranhelices an die Membran des ER
gebunden ist
• Schrittmacher-Enzym der CholesterinSynthese
• interkonvertierbares Enzym:
dephosphorylisierte Form ist aktiver
Slide 18
Short-term Regulation
Regulation über Interkonversion
• Dephosphorylisierte Form der HMG-CoAReduktase ist aktiver
• Phosphorylisierung über cAMP-abhängige KinaseKaskade: damit Inaktivierung
• hormonelle Kontrolle des cAMP-Spiegels:
– Glucagon Erhöhung des cAMP-Spiegels
Hemmung der Cholesterin-Synthese
– Insulin Erniedrigung des cAMP-Spiegels
Stimulation der Cholesterin-Biosynthese
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Long-term Regulation
Regulation auf Ebene der Transkription
SRE-BP
N
Cholesterin
N
C
Gen mit SRE
ER Lumen
Vorläufer
SRE-BP
mRNA
• Promoter mit Sequenz eines “steral regulated element” (SRE)
• Gene für HMG-CoA-Reduktase, HMG-CoA-Synthase, Prenyltransferase
und LDL-Rezeptor betroffen: Regulation der Eigensynthese und der
Aufnahme über LDL-Rezeptoren
Slide 20
Kompetitive Inhibition
• Statine sind kompetitive
Inhibitoren der HMG-CoAReduktase mit
Srukturähnlichkeiten zum
Mevalonat
• Vermehrte Aufnahme von
Cholesterin über LDL-Rezeptoren
durch SREBP-2
• Angriffspunkt vor der Verzweigung
des Stoffwechselwegs, so auch
Kontrolle der Seitenwege möglich
Slide 21
Behandlung mit Statinen
Slide 22
Alternative Hemmung der HMGCoA-Reduktase ohne Statine
• Hemmung durch wäßriger Knoblauch-Extrakt
• Hemmung durch Mevalolacton: intramolkularer
Mevalonsäureester, der die HMG-CoA-Reduktase
inhibiert, indem es deren Phosphorylisierung
stimuliert
• Hemmung durch SRE-Liganden: täuschen
Cholesterin-Armut vor, Aufnahme von Cholesterin
unabhängig von der intrazellulären Konzentration
Slide 23
Abbau von Cholesterin
• Säugetiere sind nicht in
der Lage das SteranGerüst abzubauen
• Aussscheidung von
Cholesterin vor allem als
Cholesterin oder nach
Umwandlung in
Gallensäuren über die
Galle! (etwa 1g pro Tag)
Slide 24
Biosynthese der Gallensäuren
• Synthese in der Leber aus Cholesterin
• Einführung von OH-Gruppen am
Steranring:
geschwindigkeitsbestimmender
Schritt an C7
• Oxidation von C24 zur
Carboxylgruppe
• Sättigung der 5,6-Doppelbindung
• Regulation über das
Schrittmacherenzym, die Cholesterin
7-alpha- Hydroxylase: potentieller
Angriffspunkt für die therapeutische
Beeinflussung der
Gallensäurensynthese
Slide 25
Konjugation der Gallensäuren
• Aktivierung der
primären Gallensäuren
durch ATP und CoA
• Konjugation der
aktivierten
Carboxylseitenkette
mit Glycin oder Taurin
Slide 26
Funktion der Gallensäuren
• Emulgatoren: Micellenbildung
• Resorption von Fetten und fettlöslichen
Vitaminen
• Endprodukt des Cholesterin-Soffwechsels
• Ausscheidungsmöglichkeit für Cholesterin
Slide 27
Enterohepatischer Kreislauf der
Gallensäuren
Leber
Vena porta
Darm
• Primäre Gallensäuren:
Cholsäure,
Chenodesoxycholsäure
• sekundäre Gallensäuren:
Entstehung unter
Einwirkung der Darmflora
• konjugierte Gallensäuren:
nach Konjugation mit
Taurin bzw. Glycin
• Gallensäuren durchlaufen
den Kreislauf 6-10 mal pro
Tag
Slide 28
Einfluß der Gallensäuren auf die
Cholesterin-Biosynthese
• Gallensäuren hemmen die CholesterinBiosynthese
• Hemmung der Cholesterinbiosynthese durch orale
Zufuhr von freien und konjugierten Gallensäuren
in hohen Konzentrationen
• Verminderte Rückresportion der Gallensäuren
steigert Cholesterin-Biosynthese in der Leber
• Umwandlung in Gallensäuren stark beschleunigt
Cholesterinspiegel im Blut sinkt
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Zusammensetzung der Galle
Slide 30
Löslichkeitsdiagramm für Galle
Erhöhte Cholesterinsekretion
•erhöhte Synthese
•Hemmung der Veresterung
Verminderte
Phosphatidylcholin-Synthese
Gallensäuren
•Verminderte Gallensalzsekretion
•Erhöhter Gallensalzverlust
Slide 31
Gallensteine
