VL Regulation des Stoffwechsels Michael Altmann
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Institut für Biochemie und Molekularbiologie VL Regulation des Stoffwechsels Michael Altmann FS 2014 1 Hormonelle Regulation des Stoffwechsels (Zusammenfassung) Zustand Stoffwechsellage Hormone Wirkung nach einer Mahlzeit anabol Insulin schnell (zB. Einlagerung des GLUT4Transporters ; erhöhte Aufnahme von Aminosäuren; Proteinsynthese; Inhibition der Glykogenolyse) langsam (erhöhte Transkription von Schlüsselenzymen der Glykolyse) nüchtern, vor einer Mahlzeit katabol (Abbau von Glycogen) Glucagon schnell (über cAMP: Glycogenolyse) Stress, Kälte katabol (Abbau von Glycogen und Triacylglyceriden) Adrenalin schnell (über cAMP: Glykogenolyse und Fettabbau) anhaltender Hungerzustand, Stress katabol (Peripherie), anabol (Leber) Glucocorticoide langsam (Pheripherie: Transkription von abbauenden Enzymen; Leber: Synthese von Schlüsselenzymen der Gluconeogenese und Glykogen-Synthese) Metabolisches Notfallprogramm zur Einsparung von Glucose: KetonkörperSynthese 2 Hormone und Wirkstoffe des Gastrointestinaltraktes Name / Rezeptor Stoffklasse Wirkung Herstellungsort Acetylcholin / muskarinischer M3-R Ester Stimuliert Parietalzellen zur Säureausschüttung, pankreatische Drüsen- und Gangzellen zur Exocytose von sekretorischen Vesikeln und stimuliert NaHCO3-Produktion N. vagus Histamin /H2-R Biogenes Amin Stimuliert Parietalzellen zur Säureausschüttung Enterochromaffinzellen der Magen-Mucosa Serotonin Biogenes Amin Stimuliert Motilität Enterochromaffine Zellen Magen, Pankreas, Dünn- und Dickdarm Gastrin /CCK2-R Peptidhormon (14-34 aa) Stimuliert Parietalzellen zur Säureausschüttung, stimuliert Sekretion von Pankreasenzymen und Gallenblasenkontraktion G-Zellen Magen, Pankreas und Dünndarm CCK (Cholecystokinin) / CCK1 + 2-R Peptidhormon (versch. Längen) Ähnlich wie Gastrin (beide binden an CCK2Rezeptor), stimuliert Asinus-Zellen I-Zellen des Duodenums Sekretin Peptidhormon Inhibiert H+-Ausschüttung durch Parietalzellen, stimuliert Somatostatin- und inhibiert Gastrin-Ausschüttung; stimuliert NaHCO3-Produktion und Exocytose con Sekretgranula in pankreatischen Asinus-Zellen Dünndarm VIP (Vasoaktives Intestinales Peptid) / VPAC1 + 2 - R Peptidhormon Hemmung der HCl- und Pepsinproduktion; ähnliche Wirkung wie Sekretin Pankreas, Magen, Dünn-, Dickdarm Somatostatin / SST-R Peptidhormon (14, 28 aa) Lokale Hemmung anderer endokriner Zellen Pankreas, Gastrointestinaltrakt (DZellen im Antrum und Corpus) Prostaglandin PGE2 / EP3-R Fettsäurederivat Inhibiert Protonenpumpe der Parietalzellen Magen - Das gastroenteropankreatische endokrine System: hierunter versteht man die Summe aller endokrinen Zellen im Epithel des Gastrointestinaltraktes und des Pankreas. Erstere werden in vereinzelten Zellen entlang des gesamten Verdauungstraktes gebildet. Gesamthaft handelt es sich dabei um ca. 3 Milliarden Zellen, quantitativ gesehen, wird hier die grösste Menge an Hormonen im Körper gebildet. - Im Gegensatz zu anderen Epithelzellen zeichnen sich diese Zellen dadurch aus, dass sie die Botenstoffe in den basalen und nicht in den luminalen Teil ausschütten. Sowohl Peptide wie auch biogene Amine (Serotonin, Histamin) werden in Sekretgranula gespeichert und auf adäquate Reize hin ausgeschüttet. - Zu einer optimalen Regulierung der Verdauung ist es wichtig, dass endokrine Zellen verschiedener Abschnitte aufeinander abgestimmt werden. Dabei spielt die Innervation von endokrinen Zellen eine wichtige Rolle. - Interessant: Die gleichen Hormone (Sekretin, Cholecystokinin, Gastrin; Somatostatin als Gegenspieler) modulieren die Sekretion durch verschiedene Organe des Verdauungsapparates, so zB. den Magen, die Gallenblase und den exokrinen Pankreas. 3 Regulation der Säuresekretion von Parietal-/Belegzellen - Mehrere Stimuli beeinflussen über Hormonauschüttung die Aktivität der Parietalzellen Stimulierende Effekte: - Während der kephalischen Phase schütet der N. vagus an seinen parasymphatischen Endigungen Acetylcholin aus, das an einen muskarinischen Rezeptor (M3-) bindet und über G-Protein/ Phospholipase C/InsP3/Ca2+ Proteinkinase C aktiviert. - Eine identische Wirkung hat das Gastrin (Peptidhormon) aus den GZellen, das an einen CCK2-Rezeptor (Cholecystokinin-Rezeptor bindet). - Acetylcholin und Gastrin stimulieren auch die Histamin-Ausschüttung aus enterochromaffinartigen Zellen in der Mucosa des Magenwand, das an einen H2-Rezeptor bindet und via cAMP Proteinkinase A aktiviert. - Proteinkinase A und C stimulieren durch Phosphorylierung die Aktivität der H+/K+-Protonenpumpe. Inhibierende Effekte: - Als wichtigster Gegenspieler wirkt Somatostatin (Peptidhormon), das von D-Zellen im Antrum und Corpus ausgeschüttet wird und via SSTRezeptor und ein inhibierendes Gi-Protein, den cAMP-Spiegel drosselt. Ausserdem inhibiert Somatostatin die Histamin-Ausschüttung. - Ähnlich wirkt das Prostaglandin PGE2, das über einen EP3-Rezeptor, die Magensaftproduktion inhibiert. Da die Prostaglandinsynthese durch nichtsteroidale Entzündungshemmer (zB. Aspirin) unterdrückt wirkt, kann deren Einsatz zu Gastritis und Ulcusbildung (erhöhte Säureproduktion; unerwünschte Nebenwirkung) führen. 4 Regulation der Protein- und HCO 3--Sekretion im exokrinen Pankreas - Der Pankreassaft ist reich an Bicarbonat und abbauenden Enzymen. Interessanterweise wirken ähnlich gesteuerte hormonelle Mechanismen wie bei den Parietalzellen die Aktivität von pankreatischen Drüsen(Asinus-) und Gangzellen (Ductuszellen): - Acetylcholin und Gastrin stimulieren über Rezeptoren die Proteinkinase C- und CaM (Calmodulin)-Kinase Aktivität der Asinuszellen, was zu einer vermehrten Ausschüttung von Verdauungsenzymen (in sekretorischen Vesikeln verpackt) führt. Ähnlich wirkt auch Cholecystokinin (Peptidhormon), das über humorale Wege aus dem Duodenum ins Pankreas gelangt und an den CCK2-Rezeptor bindet. - Während der intestinalen Phase werden die S-Zellen des Duodenums zur Ausschüttung von Sekretin (Peptidhormon) angeregt, das an Ductuszellen des Pankreas andockt und die Bicarbonatsekretion stimuliert (siehe unten). - Sekretin und VIP (Peptidhormon) erhöhen über cAMP auch die Ausschüttung von sekretorischen Vesikeln in den pankreatischen Asinuszellen. - In den Ductuszellen findet ein luminaler Austausch von HCO 3- (zur Neutralisation des sauren Magen-Chymus) gegen Cl- statt. Sekretin und Acetylcholin beeinflussen über Proteinkinasen A und C die Aktivierung eines CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator)-Kanals, sodass vermehrt Cl—Ionen ins Lumen gelangen. Die benötigten HCO 3- -Mengen werden mit Hilfe eines basolateralen Symporters und durch Carboanhydrase-Aktivität in den Ductuszellen erreicht. Die überschüssigen Protonen werden mit Hilfe einer Protonenpumpe und eines Na+/H+-Austauschers wieder ausgeschleust. 5 Regulation des Stoffwechsels Regulation des Citratzyklus -Entscheidend für die Aktivität des Citratzyklus ist der Nachschub an Acetyl-CoA durch die Pyruvatdehydrogenase (PDH). -PDH ist ein klassisches Beispiel für ein Enzym, das sowohl allosterisch wie auch durch Interkonvertierung reguliert wird. PDH ist im phosphorylierten Zustand inaktiv, im dephosphorylierten Zustand aktiv. -Eine spezifische PDH-Kinase wird durch ATP, NADH und Acetyl-CoA aktiviert und durch Pyruvat gehemmt. -Eine spezifische PDH-Phosphatase wird durch Ca- und Mg-Ionen aktiviert, so zB. bei der Muskelkontraktion wenn Energie gebraucht wird. -Drei Enzyme des Citratzyklus, die besonders exergone Reaktionen katalysieren, werden allosterisch reguliert : •Citrat-Synthase; •Isocitrat-Dehydrogenase; •Succinat-Dehydrogenase. -Eine hormonelle Regulation des Citrat-Zyklus ist nicht bekannt. 6 Regulation des Stoffwechsels Beziehungen des Citratzyklus zu anderen Stoffwechselwegen -Der Citratzyklus ist nicht nur Zwischenstation bei dem katabolen Abbau von Acetyl-CoA zur Gewinnung von ATP; er ist auch Ausgangspunkt für eine Vielzahl von anabolen Synthesen (siehe Abb.). Besonders wichtig dabei sind: •Biosynthese nicht essentieller Aminosäuren (aus den jeweiligen alpha-Ketosäuren Pyruvat/C3, Oxalacetat/C4 und alphaKetoglutarat/C5); •Fettsäure- und Cholesterinsynthese (aus Citrat); •Hämbiosynthese (aus Succinyl-CoA) •Gluconeogenese (aus Oxalacetat). Anaplerotische Reaktionen -Um ein Absinken von Zwischenverbindungen des Citratzyklus zu verhindern (was eine Verlangsamung der Umsetzung zur Folge hätte), finden sog. anaplerotische („auffüllende“) Reaktionen statt. -Neben den Transaminierungsreaktionen (Reaktionen 4 im Schema) ist die wichtigste auffüllende Reaktion die direkte Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat mittels der Pyruvat-Carboxylase (Reaktion 1 im Schema). -Weitere Möglichkeiten zum Auffüllen des Oxalacetats-Spiegels sind die Malatbildung aus Pyruvat mit Hilfe des Malat-Enzyms (Reaktion 3) und die Umkehr der PhosphoenolpyruvatCarboxykinase-Reaktion (Reaktion 2). 7 Regulation des Stoffwechsels Regulation des Glykogenstoffwechsels -Bei Säugetieren ist Glycogen die einzige Speicherform von Glucose. Insgesamt kann ein menschlicher Körper ca. 400g Glucose in Form von Glycogen speichern. -Bei Bedarf werden die obligaten Glucose-Verwerter (vor allem Erythrozyten und Hirn) von der Leber mit Glucose versorgt. Ca. 10% der Leber (ca. 1.5 kg) besteht aus Glycogen. -Der Muskel hat den grössten Glycogen-Speicher im Körper, benutzt aber Glycogen nur für den Eigenbedarf. Es fehlt ihm die Glucose-6-Phosphatase, die erforderlich ist, um Glucose zu exportieren. -Glucose-6-Phosphat wird je nach Bedarf in der Glycolyse oder im Pentose-Phosphatweg verarbeitet. 8 Regulation des Stoffwechsels Hormonelle Regulation des Glykogenstoffwechsels -Wie bereits besprochen, wird der Glykogenhaushalt durch Insulin und seine Gegenspieler (Glucagon, Adrenalin) reguliert. Ein einziges Hormonmolekül kann die Freisetzung/Speicherung Tausender Glucosemoleküle veranlassen. -Entscheidend ist dabei die Konzentration in der Zelle an cAMP. Insulin senkt den cAMP-Spiegel (Aktivierung der cAMPPhosphodiesterase), Glucagon und Adrenalin erhöhen den cAMPSpiegel (Aktivierung der Adenylatcyclase über Signaltransduktionskette). -Glykogen-Abbau und -Aufbau werden gemeinsam über cAMP/ Proteinkinase A reguliert: •bei tiefem cAMP (Insulin) werden sowohl Glykogen-Phosphorylase (inaktiv) wie auch Glycogen-Synthase (aktiv) dephosphoryliert; •bei hohem cAMP (Adrenalin/Glucagon) werden beide Enzyme mit gegenteiliger Wirkung phosphoryliert (-> siehe auch VL Hormone I zum Mech. der Phosphorylierung von Glycogen-Phosphorylase). -Glycogen-Phosphorylase und -Synthase werden auch allosterisch reguliert. 9 Hormonelle Regulation von Glycolyse und Gluconeogenese -Es sind vor allem die Schlüsselenzyme, die hormonell reguliert werden: • Glycolyse: Glucokinase, Phosphofructokinase, Fructose-6phosphat-2-Kinase und Pyruvatkinase; • Gluconeogenese: Pyruvat-carboxylase, PEP-Carboxykinase, Fructose-1,6-Bisphosphatase und Glucose-6-Phosphatase. -Insulin und cAMP (bzw. die Hormone Adrenalin und Glucagon, die den cAMP-Spiegel steigern) treten als Gegenspieler auf. -Insulin aktiviert transkriptionell die Genexpression der Enzyme der Glycolyse, cAMP hemmt sie (Mechanismus noch ungeklärt). -Die Schlüsselenzyme der Gluconeogenese werden transkriptionell durch cAMP induziert: Proteinkinase A phosphoryliert und aktiviert CREB, einen spezifischen Transkriptionsfaktor, der an den Promotor der jeweiligen Gene bindet. -Cortisol ist ein weiteres Hormon, das als Ligand des Glucocorticoid-Rezeptors die Schlüsselenzyme der Gluconeogenese induziert. -Durch die Wirkung von Insulin wird in der Zelle der Spiegel an cAMP gesenkt und somit die Proteinkinase A gehemmt. Dadurch wird die Transkription der Gene der Gluconeogenese gehemmt. Regulation des Stoffwechsels Allosterische Regulation von Glycolyse und Gluconeogenese -Die hormonell regulierten Schlüsselenzyme werden auch allosterisch reguliert (siehe L&P Abb. 13.28). -Besonders gut untersucht ist die allost. Regulation von PFK, das geschwindigkeitsbestimmende Enzym der Glycolyse. Hohe Konzentrationen an Zwischen- oder Endprodukt der Folgereaktionen (Citrat, ATP) inhibieren, hohe Konzentrationen an Substrat (Fruct-6P) aktivieren PFK. .Eine zusätzliche Form der allosterischen Regulation wird in der Leber durch das Signalmetabolit Fructose-2,6-bisphosphat (Fru-2,6P2) ermöglicht, das die Glycolyse beschleunigt (pos. Aktivator). -Die Bildung von Fru-2,6-P2 (erhöhte Glycolyse) wird durch eine spezifische Kinase ermöglicht, die bei tiefem cAMP (Insulin) aktiv ist. Umgekehrt wird der Abbau von Fru-2,6-P2 durch eine Phosphatase katalysiert, die bei hohem cAMP (Adrenalin, Glucagon) aktiv ist. -Im Muskel führt allerdings ein hoher cAMP-Spiegel zur Produktion von Fru-2,6-P2 und somit zur erhöhten Glycolyse. 11 Regulation des Stoffwechsels Regulation des Fett-Stoffwechsels -Lipide machen je nach Fall 40% (oder mehr) unserer Nahrung aus. Aufgrund der reichlichen Lipid-Speicher sind wir nicht auf eine permanente Synthese angewiesen. Trotzdem synthetisieren wir -auch bei hoher KohlenhydratZufuhr- eine beträchtliche Menge an Fettsäuren. -Synthese von Fettsäuren und Cholesterin sind allosterisch und hormonell reguliert. Eine katabole Stoffwechsellage (Fasten, Stress) hemmt, eine anabole Stoffwechsellage (nach Nahrungsaufnahme) steigert die Lipidsynthese. -Das erste Enzym der Fettsäure-Synthese, die Acetyl-CoACarboxylase, ist das Schrittmacherenzym der ganzen Reaktionskette. Allosterische Aktivatoren: Acetyl-CoA (Substrat) und Citrat (Acetyl-CoA-Lieferant über Citrat-Lyase); Allosterische Inhibitoren: Acyl-CoA (Produkthemmung) und AMP (mangelnde Energie). -Wie bereits erwähnt, regulieren Insulin und Gegenspieler die Lipogenese in der Fettzelle (hormonsensitive Lipase; siehe VL Hormone I). 12 Insulin versus Adrenalin Metabolische Aktivitäten der Fettzelle -Insulin induziert die Biosynthese der Lipoproteinlipase und stimuliert die Glucoseaufnahme, was zur vermehrten Triacylglycerin-Biosynthese führt. -Katecholamine (beim Menschen vor allem Adrenalin) steigern die cAMP-Konzentration und aktivieren die Proteinkinase A, die durch Phosphorylierung die Triacylglycerin-Lipase aktiviert (deshalb auch der Name hormonsensitive Lipase). -Dadurch wird der Triacylglycerin-Abbau in Fettsäuren und Glycerin eingeleitet. -Insulin wirkt dem TG-Abbau entgegen, indem es die cAMP-Phosphodiesterase aktiviert und somit (indirekt) die TG-Lipase inaktiviert. 13 Regulation des Stoffwechsels Regulation des Cholesterin-Stoffwechsels -Cholesterin ist ein für viele Lebensvorgänge essentielles Molekül: Aufbau der Zellmembranen, Baustein von Gallensäuren und Steroidhormonen. -Die Geschwindigkeit der Cholesterinbiosynthese hängt von der Menge des mit der Nahrung aufgenommenen Cholesterins ab. -Das reaktionsgeschwindigkeitsbestimmende Enzym für die Cholesterin-Synthese ist die HMG-CoA-Reduktase. Das Enzym wird allosterisch negativ reguliert durch Mevalonat und Cholesterin. -Zusätzlich hemmt Cholesterin die Transkription der Gene, die für die Enzyme der Cholesterin-Synthese codieren (siehe Abb). - Statine = komp. Inhibitoren der HMG-CoA-Reductase gehören zu den meistverkauften Pharmaka weltweit. -Wenn der Cholesterin-Spiegel tief ist, werden spezifische Transkriptionsfaktoren (sog. SREBPs) durch proteolytische Spaltung aktiviert, die die Expression der Enzyme der Cholesterin- und Fettsäuresynthese aktivieren (siehe L&P Tab. 20.1). 14 SREBPs (Sterol Response Element Binding Protein) als spezifische Transkriptionsfaktoren • Ursprung: Transkriptionsfaktoren, die die körpereigene Cholesterinsynthese fördern" " • Enhancer: SRE (Sterol Responsive Element)" " • Liganden: keine bekannt" " • Physiologische Bedeutung: Stimulation der Lipid/CholesterinSynthese" 3D-Struktur von SREBP-1a an DNA gebunden" Name Bedeutung Transkriptionell aktivierte Gene (je ein Beispiel) SREBP-1a Aktiviert durch Mangel an ungesättigten Fettsäuren Acetyl-CoA-Carboxylase SREBP-1c Aktiviert durch Insulin Acetyl-CoA-Carboxylase SREBP-2 Aktiviert durch Cholesterinmangel HMG-CoA-Reduktase Proteolytische Aktivierung von SREBP2 • Das ca. 120 kD SREBP-Vorläuferprotein (grün) ist in der Membran des ER verankert, N- und C-Terminus des Proteins befinden sich in der cytosolischen Seite;" • Das Vorläuferprotein interagiert zusätzlich mit SCAP (SREBP Cleavage Activating Protein; rot), das auch in der Membran verankert ist;" • Wenn der Cholesterin-Spiegel tief ist, löst sich SCAP von der Membran und wandert zusammen mit SREBP in Vesikeln verpackt in den Golgi-Apparat;" • Dort wird der transkriptionell aktive N-Terminus von SREBP (wasserlöslich) durch zwei Proteasen geschnitten und in den Zellkern entlassen;" • SCAP, das an Cholesterin (und an anderen Sterinen) bindet, bleibt bei hoher Sterin-Konzentration in der ER-Membran gebunden und SREBP kann nicht freigesetzt werden (Sterinsensor)." PPARs (Peroxisomen-Proliferation-aktivierte Rezeptoren) als spezifische Transkriptionsfaktoren von Peroxisomen (Vesikeln, in • Ursprung: Rezeptoren, die die Proliferation denen Entgiftungsreaktionen ablaufen) in Zellen fördern" • Enhancer: PPRE (Peroxisome Proliferator Hormone Response Element) " • Liganden: verschiedene lipophile Substanzen (siehe unten)" • Physiologische Bedeutung: Regulation der Differenzierung, der Entwicklung und des Stoffwechsels (wichtig: Fettverwertung und -abbau) " 3D-Struktur von PPAR-gamma" • Klinische Bedeutung: Agonisten der Liganden wie Fibrate (PPAR-alpha) und Thiazolidinedione (PPAR-gamma) dienen zur Bekämpfung von Diabetes II und Ateriosklerose" Isoform / Vorkommen Ligand Aktivierte Gene / Prozesse PPAR-alpha / Leber Carnitin-Acyltransferase-1 Mehrfach ungesättigte Fettsäuren Verwertung von Fettsäuren (betaOxidation) Bildung von Ketonkörpern (Fasten) PPAR-beta/delta / Muskel- und Fettgewebe Mehrfach ungesättigte Fettsäuren PPAR-gamma (4 Isoformen)/ Muskelund Fettgewebe Prostaglandin PGJ2 Verwertung von Fettsäuren (betaOxidation) Thermogenese Differenzierung von Adipocyten und Lipogenese Erhöhte Insulinwirksamkeit / Unterdrückung der Fettsäureabgabe Transkriptionelle Aktivierung durch PPARs als Heterodimer mit RXR
