6-Seminar-Stoffwechsel-der-Lipide_1
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6. Biochemie Seminar Abbau und Synthese der Fettsäuren: Funktion der Lipide - Klassifizierung o Es werden zwei Sorten unterschieden: nicht hydrolisierbare Lipide • Fettsäuren • Isoprenderivate (z.B. Terpene und Steroide) hydrolisierbare (verseifbare) Lipide, enthalten immer 1-3 Fettsäurereste, sog. Acylreste, die mit einem Alkohol verestert sind, mögliche Alkohole • Glycerin • Glycerin-3-Phosphat • Sphingosin • Cholesterin - Funktionen o Bestandteil der Nahrung als Energieträger o Depotfett als Energiespeicher o Organfett als Schutz vor mechanischen Kräften o Strukturbauteil zur räumlichen und elektrischen Abgrenzung (Myelinscheide) o Signalmolekül o Coenzym - Funktion der wichtigsten Acyl-Lipide o Phospholipide: Membrankomponenten o Triacylglycerole: Speicherfett, Öle o Wachse: Feuchtigkeitsbarrieren o Eicosanoide: Signalmoleküle (Prostaglandin) o Sphingomyelin: Membrankomponente (Myelinscheiden) o Glycospingolipide: Zellerkennung (ABO-Blutgruppenantigene) - Funktion der wichtigsten Isoprenoid-Lipide o Steroide: Membrankomponenten, Hormone o Lipid-Vitamine: Vitamin A, E und K o Carotenoide: Pigmente in der Photosynthese o Chlorophyll: Photosynthese o Plastoquinone/Ubiquinon: fettlösliche Elektronencarrier o Ätherische Öle: Menthol Biosynthese von gesättigten Fettsäuren: - „Die Biosynthese von gesättigten Fettsäuren findet im Cytosol statt und benötigt Malonyl-CoA.“ - Ort der Fettsäurebildung ist das Cytosol, der Abbau hingegen findet in der mitochondrialen Matrix statt. Die Ausgangssubstanz ist das Acetyl-CoA, somit sind Ausgangsprodukt der Synthese und Endprodukt des Abbaus dasselbe. - Aus dem o.g. ergeben sie zwei Schwierigkeiten: o Wie kommt das Acetyl-CoA ins Cytosol? o Wie werden die Fettsäuren synthetisiert? - Das Prinzip ist folgendermaßen: UV 1 von 12 TJW - - - - - UV o Es werden nach und nach mehrere Acetylgruppen aneinander gehängt. Die überschüssigen Sauerstoffatome werden durch NADPH gezielt oxidiert. Schritt 1: Acetyl-CoA muss in das Cytosol transportiert werden! o Die Innenmembran des Mitochondriums besitzt keinen Transporter für AcetylCoA. o Deswegen katalysiert die Citrat-Synthase (im ersten Schritt des Citratzyklus) die Reaktion von Acetyl-CoA zu Citrat. o Für Citrat gibt es einen Translokator durch die innere mitochondriale Membran. o Im Cytosol wird das Citrat mit Hilfe der Citrat-Lyase zu Acetyl-CoA und Oxalacetat umgebaut. o Wichtig: Die anaplerotische Reaktion zur Auffüllung des Citrats darf nichts vergessen werden, sonst würde der Citratzyklus zum Erliegen kommen. Schritt 2: Acetyl-CoA wird in Malonyl-CoA umgebaut. o Die Bildung einer C-C-Bindung ist ein endergoner Prozess und deswegen benötigt er eine aktivierte Ausgangsverbindung. o Acetyl-CoA wird somit ATP-abhängig carboxyliert. Das entstehende MalonylCoA kann somit in einem exergonen Prozess decarboxyliert werden und somit die nötige C-C-Bindung knüpfen. o Enzym: Acetyl-CoA-Carboxylase Prosthetische Gruppe: Biotin als CO2-Carrier ATP-abhängig o Die Carboxylierung findet an der Methylgruppe statt, da die Carbonylgruppe (C=O) des Acetyl-CoA bereits sehr reaktionsfreudig ist. o Diese Reaktion ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. o genauer Ablauf der Reaktion siehe 4. Seminar, Gluconeogenese, Pyruvatcarboxylase Wichtig: Die folgenden Reaktionen des Zyklus werden alle von der FettsäureSynthase katalysiert. Erklärung zu diesem Enzym siehe weiter unten. Schritt 3: Beginn der Fettsäuresynthese mit Acetyl-CoA o Es kann mit Acetly-CoA begonnen werden, da die Methylgruppe in allen weiteren Schritten die endständige Methylgruppe bleiben wird und somit niemals eine Reaktion eingehen muss. o Die Acetylgruppe des CoA wird auf die Sulfhydrylgruppe (SH-Gruppe) des Phosphopantethein-Arms der Fettsäure-Synthase übertragen. (Nebenbemerkung: Phosphopanthethein ist ebenfalls Bestandteil des Coenzyms A) o Die Acetylgruppe wird nun sofort auf die periphere SH-Gruppe der gegenüberliegenden Seiten übertragen. Schritt 4: Einführung des Malonyl-CoA in die Reaktion o Die Malonyl-Gruppe des Malonyl-CoA wird auf die zentrale SH-Gruppe des Phosphopantetheins übertragen. o Hierzu schwenkt sich der Phosphopantethein-Arm zur gegenüberliegenden Proteindomäne, wo sich die Malonyl/Acetyltransferase-Domäne befindet. Schritt 5: Decarboxylierung der Malonyl-Gruppe o Der Phosphopantethein-Arm mit der gebundenen Malonyl-Gruppe bewegt sich nun zu Acetylgruppe weiter. o Jetzt wird die Malonyl-Gruppe decarboxyliert und es bleibt somit von der COO--Gruppe ein Elektronenpaar zurück. o Das Elektronenpaar stellt eine Verbindung zur Carbonylgruppe der AcetylGruppe her. 2 von 12 TJW - - o Diese löst sich von der peripheren SH-Gruppe ab und tritt an Stelle des abgespaltenen Kohlendioxids. o Die Reaktion wurde durch die Ketoacyl-Synthase-Domäne vermittelt. Schritt 6: Reduktionsschritte o Der Phosphopantethein-Arm schwenkt zurück und wird mit NADPH/H+ reduziert. o Diese Reaktion wird durch die β-Ketoacyl-Reduktase katalysiert. o Es entsteht eine β-Hydroxyacylgruppe. o Jetzt wird durch die Dehydrase Wasser abgespalten und es entsteht eine Enoylgruppe, die sich durch eine Doppelbindung auszeichnet. o Die Enoylredukatse reduziert das Enzym NADPH/H+-abhängig ein weiteres Mal. Das Ergebnis ist eine CH2-Gruppe. o Die entstandene Acylgruppe wird auf die periphere SH-Gruppe übertragen. Um die Fettsäure weiter zu verlängern, laufen die Schritte 4 bis 6 erneut ab. Dieser Vorgang dauert solange, bis meist Palmitat durch Hydrolyse des Thioesters abgespalten wird. Wichtig: o Das verbrauchte NADPH/H+ entstammt aus folgenden Quellen: Pentosephosphatweg Malat-Enzym extramitochondriale Isocitrat-Dehydrogenase o Man kann mit dem NADPH/H+ im Mitochondrium und im Bereich der Atmungskette nichts anfangen! Dieser Umstand ist wichtig! Diese Reduktionsäquivalent lässt sich ausschließlich für Biosynthese- nicht für Abbauprozesse nutzen! Aufbau der Fettsäure-Synthase - „Die tierische Fettsäuresynthase besteht aus einem dimeren Komplex zweier multifunktioneller Proteine!“ - Die Fettsäuresynthase des Menschen besteht aus einem homodimeren Komplex, d.h. beide Untereinheiten sind identisch. - Eine Untereinheit für sich enthält zwar alle notwendigen aktiven Zentren, kann aber nicht alleine arbeiten, da offensichtlich nur zusammen die richtige Konformation besteht. - Katalytische Zentren ausgehend vom N-terminalen Ende: o β-Ketoacyl-Synthase (enthält die periphere SH-Gruppe) o Malonyl-CoA-ACP-Transacylase (Aufnahme von Malonyl-CoA) o Dehydratase o Enoyl-Reduktase o Acyl-Carrier-Protein (enthält die zentrale SH-Gruppe) o Thioesterase - hieraus ergeben sich zwei katalytische Zentren mit folgenden Domänen: o Dehydratasedomäne o Enoylredukatasedomäne o Ketoreduktasedomäne o Thioesterasedomäne - Prosthetische Gruppe: o Phosphopantethein - Der Nutzen dieses Enzymkomplexes liegt darin, dass er nicht sehr störanfällig ist. UV 3 von 12 TJW Fettsäureabbau (β-Oxidation) gerade Fettsäuren - Prinzip der β-Oxidation: o Das β-C-Atom eines Acyl-CoA (= eine an das Coenzym A gebundene Fettsäure mit mindestens 3 C-Atomen) wird zu einer Carbonylgruppe oxidiert und kann jetzt von einer SH-Gruppe eines CoA angegriffen werden. o Nun löst sich das β-C-Atom mit dem hydrophoben Rest unter Bildung eines um 2 C-Atome verkürzten Acyl-CoA ab. o Es bleiben das Coenzym A mit den ersten beiden C-Atomen übrig, sprich ein Acetyl-CoA. - Ergebnis des Fettsäureabbaus ist somit: o Acetyl-CoA, welches im Citratzyklus genutzt werden kann o NADH, welches über den Komplex I in die Atmungskette eingeschleust werden kann o FADH2, welches über den Komplex II in die Atmungskette eingeschleust werden kann - Beteiligte Enzyme: o Es sind erneut Dehydrogenasen im Spiel, die die NAD+- und die FAD+abhängige Oxidation katalysieren (siehe Angriffspunkte Anhang 5. Seminar) - Bedeutung: o Bereitstellung von NADH/H+ und FADH2 für die oxidative Phosphorylierung und somit die Aufrechterhaltung des Protonengradienten an der inneren mitochondrialen Membran. - Schritt 1: Import der Fettsäuren ins Mitochondrium o kurze Fettsäuren (<10 C-Atome) können durch die Membran diffundieren o längere Fettsäuren benötigen die Bindung an Carnitin o zunächst muss die Fettsäure aktiviert werden: Fettsäuren sind sehr reaktionsträge, deswegen müssen sie aktiviert werden Enzym: Acyl-CoA-Synthetase Zunächst reagiert die Fettsäure mit ATP unter Bildung von AcylAdenylat und Pyrophosphat. Im nächsten Schritt wird die Acylgruppe auf das Coenzym A übertragen. Es bleibt AMP und Acyl-CoA übrig. Wichtig: Diese Reaktionen sind nur möglich, da das Pyrophosphat durch die Pyrophosphatase in zwei anorganische Phosphate gespalten wird. Hierdurch verschiebt sich das Gleichgewicht zu Gunsten der Hydrolyse der Acyl-Adenylat-Bindung. Im nächsten Schritt wird die Acylgruppe auf L-Carnitin übertragen. Dies geschieht durch Knüpfung einer Esterbindung an der OH-Gruppe des Carnitins durch die Carnitin-Acyltransferase 1. Es entsteht Acylcarnitin. Nun wird Acylcarnitin durch die äußere Mitochondrienmembran transportiert, der Mechanismus ist unklar. Für den Transport durch die innere mitochondriale Membran ist die Acyl-Carnitin-Translokase verantwortlich. In der Matrix muss die Acylgruppe wieder auf CoA übertragen werden. Hierfür die Carnitin-Acyltransferase 2 verantwortlich. Jetzt steht das Acyl-CoA im der mitochondrialen Matrix für die weitere Oxidation zur Verfügung. - Schritt 2: Einfügen einer Doppelbindung zwischen den C-Atomen 2 und 3 UV 4 von 12 TJW - - - - o Das Acyl-CoA zeigt eine Reihe von CH2-CH2-Gruppen und somit prädestiniert für eine FAD+-abhängige Oxidation. o Diese findet zwischen dem α- und dem β-C-Atom statt. o Die notwendige Dehydrogenase wurde nach dem Substrat benannt, also AcylCoA-Dehydrogenase. o FAD+ wird hierbei zu FADH2 reduziert und fängt somit die Elektronen auf. Schritt 3: Anlagerung von Wasser zur Bildung einer OH-Gruppe o Mit dem entstandenen trans-Enoyl-CoA passiert nun das Gleiche, was mit fast allen Doppelbindung im Rahmen eines Abbauprozesses passiert (siehe Aconitat oder Fumarat), es wird Wasser angelagert. o Hierzu benötigt man eine Hydratase, die nach ihrem Substrat benannt ist, also die Enoyl-CoA-Hydratase. o Das Reaktionprodukt trägt nun eine OH-Gruppe am C3-Atom und heißt folgerichtig 3-Hydroxyacyl-CoA. Schritt 4: NAD+-abhängige Oxidation des β-C-Atoms o Durch die somit entstandene HO-C-H-Gruppe kann man mit NAD+ oxidieren. o Das notwendige Enzym ist logischerweise eine Dehydrogenase, die nach dem Substrat benannt wird, also die 3-Hydroyacyl-CoA-Dehydrogenase. o Das Reaktionsprodukt ist sowohl NADH als auch 3-Ketoacyl-CoA (nach der entstandenen Carbonylgruppe am C3-Atom benannt). Schritt 5: Reaktion des oxidierten β-C-Atoms mit Coenzym A o Jetzt kann die Carbonylgruppe durch die SH-Gruppe des Coenzym A angegriffen werden. o Diese Reaktion wird durch eine Thiolase vermittelt, da ein neuer Thioester entsteht. Berücksichtigt man das Substrat, dann heißt das Enzym 3-KetoacylCoA-Thiolase (= 3-Keto-Thiolase). o Es entstehen Acetyl-CoA und ein um zwei C-Atome verkürztes Acyl-CoA. Wichtig: NADH kann frei in der Matrix diffundieren, somit ist die Übertragung auf den Komplex I kein Problem. FADH2 hingegen ist eine prosthetische Gruppe der Acyl-CoA-Dehydrogenase. Es kann somit nicht so leicht zum Komplex II. Hierzu wurde das elektronentransferierende Flavoprotein eingerichtet. Es kann frei zu Innenmembran diffundieren. Das ETF übergibt die Elektronen an die ETF-UbichinonOxidoreduktase, die die Übertragung auf das Coenzym Q (= Ubichinon) vermittelt. Desaturierung und Elongation von Fettsäuren: - Hierbei ist der Umbau von gesättigten Fettsäuren in ungesättigte Fettsäuren gemeint. - Der menschliche Körper kann nur Palmitolein- und Ölsäure selber herstellen. - Desaturasen sind an das endoplasmatische Retikulum gebundene Enzymkomplexe aus einer NADPH/H+-Cytochrom b5-Redukatase, Cytochrom b5 und der eigentlichen Reduktase. o FAD+ ist als Coenzym vorhanden. o Ablauf: Zunächst werden zwei Elektronen vom NADPH auf FAD+ übertragen. Es entsteht FADH2. Hierdurch wird das Hämeisen des Cytochrom zur zweiwertigen Form reduziert. Die Elektronen werden von Eisen auf ein binucleäres Eisenzentrum des Desaturase übertragen. Anschließend reagieren die zwei Elektronen mit dem Sauerstoff und dem gesättigtem Acyl-CoA. UV 5 von 12 TJW - Es entstehen eine Doppelbindung und zwei Moleküle Wasser, wobei zwei Elektronen dem NADPH und zwei der Einfachbindung entstammen. Die Desaturasen können nur bis zum neunten C-Atom arbeiten. Mehrfach ungesättigte Fettsäuren können durch Desaturierung und Elongation entstehen. Das Kettenverlängerungssystem benutzt Malonyl-CoA als Substrat. Der Mechanismus entspricht dem der Fettsäurebiosynthese. Allerdings befinden sich die Enzyme im endoplasmatischen Retikulum und die Substrate liegen als Thioester mit Coenzym A vor. Fettsäureabbau ungerade Fettsäuren - Der Abbau verläuft genauso wie der vorbeschriebene Abbau der geradzahligen Fettsäuren. Allerdings entsteht im letzten Schritt kein Acetyl-CoA, sondern PropionylCoA. Das Propionyl-CoA enthält eine Acyl-Gruppe mit 3 C-Atomen. - Schritt 1: Propionyl-CoA wird am mittleren C-Atom carboxyliert o Diese Reaktion wird durch eine Carboxylase vermittelt und ist CO2- und ATPabhängig. Der genaue Name des Enzyms ergibt sich aus dem Substrat, spricht Propionyl-CoA-Carboxylase. Das Enzym ist, wie fast alle Carboxylasen, Biotin-abhängig. o Es entsteht D-Methylmalonyl-CoA. - Schritt 2: Umbau des D-Methylmalonyl-CoA in L-Methylmalonyl-CoA o Hierzu kommt eine Racemase zum Einsatz. o Das Enzym Methylmalonyl-CoA-Racemase verschiebt die Methylgruppe auf die andere Seite. - Schritt 3: Bildung von Succinyl-CoA o Die L-Methylmalonyl-CoA-Mutase, welche Vitamin B12 (Cobalamin) enthält, gruppiert die Substituenten am C2-Atom um. o Das Reaktionsprodukt ist Succinyl-CoA, welches in den Citratzyklus eingespeist werden kann. Fettsäureabbau ungesättigter Fettsäuren - Der Abbau verläuft ein wenig anders, da die meisten Fettsäuren mit Doppelbindungen in der cis-Konfiguration vorliegen. Die Enoyl-CoA-Hydratase kann aber nur Fettsäuren bearbeiten, die in der trans-Konfiguration vorlieren. Aus diesem Grund müssen spezielle Isomerasen die Umwandlung katalysieren. - Befindet sich eine Doppelbindung zwischen den C-Atomen 3 und 4, dann wird sie durch ∆3-cis-∆2-trans-Enoyl-CoA-Isomerase um ein C-Atom verschoben, es entsteht ∆2-trans-Enoyl-CoA. Welches weiter verarbeitet werden kann. - Das ∆4-cis-Enoyl-CoA wird zuerst durch die Acyl-CoA-Dehydrogenase zu ∆4-cis-∆2trans-Dienoyl-CoA oxidiert. Dieses Reaktionprodukt kann die 2,4-Dienoyl-CoAReduktase NADPH/H+-abhängig zu ∆3-cis-Enoyl-CoA reduzieren. Nun kann das bereits o.g. Enzym weiterarbeiten. Fettsäureabbau in Peroxisomen - Die Reaktionen sind prinzipiell dieselben, allerdings können Peroxisomen Acetyl-CoA nicht in den Citratzyklus und die anfallenden Elektronen nicht in die Atmungskette einschleusen. Deswegen muss eine andere Verwertung der Produkte erfolgen. - Das gebildete FADH2 (Acetyl-CoA-Dehydrogenase) wird direkt auf Sauerstoff übertragen. Hierdurch entsteht H2O2. Dieses muss sofort mittels der Katalase in H2O UV 6 von 12 TJW - und O2 zerlegt werden. Katalase ist das am meisten vorkommende Protein in Peroxisomen. Das gebildete NADH (3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase) und das gebildete Acetyl-CoA werden ins Zytosol exportiert. Die genaue Funktion der Peroxisomen ist nicht geklärt. Jedoch geht man davon aus, dass ihre Aufgabe sowohl in der Verkürzung von Fettsäuren als auch in der Bildung von Wasserstoffperoxid, welches im Rahmen der Entgiftung in den Hepatozyten benötigt wird, liegt. Bilanz - Das Beispiel hierfür sei die Palmitinsäure (16:0), es entstehen: o 8 Acetyl-CoA o 7 FADH2 o 7 NADH o Die 8 Acetyl-CoA werden in den Citratzyklus gespeist, es entstehen: 24 NADH 8 FADH2 8 GTP - Somit ergibt sich eine Gesamtbildung von 108 ATP. Allerdings muss Palmitinsäure im Zytosol aktiviert werden, die führt zur Umwandlung eines ATP in AMP. Somit ergibt sich eine Gesamtbilanz von 106 ATP Gewinn. - Die entspricht einer Effizienz von 60%. Die restliche Energie geht als Wärme verloren. Unterschiede zwischen Fettsäuresynthese und Fettsäureabbau - Es gibt vier wichtige Unterschiede: o Die Intermediate der Fettsäurebiosynthese sind an SH-Gruppen des AcylCarrier Proteins gebunden. o Die Fettsäurebiosynthese findet im Zytosol und der Abbau im Mitochondrium statt. o Die Enzyme für die Synthese befinden sich alle in einem Multienzymkomplex. o Die Synthese benötigt NADPH/NADP, der Abbau NADH/NAD+. Regulation von Fettsäuresynthese und –abbau - „Die Geschwindigkeit der β-Oxidation wird hauptsächlich durch die Aktivität der Carnitin-Acyl-Transferase 1 bestimmt!“ - Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des kompletten Abbaus ist die Bildung von Acylcarnitin, da nur dies für den Transport ins Mitochondrium geeignet ist. - Die Carnitin-Acyl-Transferase 1 kann folgendermaßen reguliert werden: o Malonyl-CoA ist ein Inhibitor, da hohe Spiegel immer nur bei der Fettsäurebiosynthese auftreten, somit wäre ein Abbau sinnlos. o Langkettige Fettsäuren steigern die Aktivität des Enzyms. Der Transkriptionsfaktor PPARα (peroxisome proliferator activated receptor) ist hierfür verantwortlich. Er kann zusätzlich über Fibrate aktiviert werden, was einer Arzneimittelgruppe entspricht, die bei Hyperlipidämien eingesetzt wird. o Schilddrüsenhorme (T3 / T4) erhöhen ebenfalls die Leistung des Enzyms. - „Die Fettsäurebiosynthese wird auf Stufe des Pyruvatdehydrogenase, der Acetyl-CoACarboxylase und der Fettsäuresynthase reguliert!“ - Regulation der Pyruvatdehydrogenase: o Insulin beschleunigt das Enzym, da bei erhöhtem Glucoseangebot mehr Fett aus Glucose generiert werden kann. UV 7 von 12 TJW - - o Eine Änderung der Quotienten Acetyl-CoA / CoA und NADH / NAD+ führt zu einer Hemmung des Enzyms. Regulation der Acetyl-CoA-Carboxylase: o Der durch dieses Enzym katalysierte Schritt ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Synthese. o Das Enzym liegt in einer inaktiven monomeren und in einer aktiven polymeren Form vor. Der Übergang in die aktive Form wird durch Tricarboxylatanionen, z.B. Citrat, gefördert. o Acyl-CoA hemmt das Enzym, da das Auftreten des Metaboliten andeutet, dass der Acyl-CoA-Pool ausreichend gefüllt ist. o Das Enzym wird außerdem durch eine AMP-abhängige Proteinkinase phosphoryliert und somit deaktiviert. Hierbei wird verhindert, dass es bei niedrigen Energiespiegeln zu Syntheseprozessen kommt. o Glucose und Insulin aktivieren dieses Enzym, um bei Nahrungsreichtum die Speicher zu füllen. Regulation der Fettsäuresynthase: o Es ist keine Regulation durch allosterische Faktoren oder Interkonversion bekannt. o Insulin sorgt in Kombination mit Glucose für eine verstärkte Induktion des Enzyms. o Hormone, die zu einer Steigerung der cAMP-Konzentration führen, z.B. Katecholamine, reprimieren das Enzym. o Langkettige, mehrfach ungesättigte Fettsäuren sind ebenfalls starke Repressoren des Enzyms. Synthese und Abbau der Triglyceride und Phosphatide: Bedeutung der Triacylglycerine - Die Triacylglycerine (alle Hydroxylgruppen des Glycerins sind mit Fettsäuren verestert) dienen als Energiespeicher des Organismus. - bilden den überwiegenden Anteil von Nahrungslipiden - werden im Darm durch die pankreatische Triacylglycerinlipase gespalten - dadurch entsteht ein Gemisch von Fettsäuren, Glycerin und Monoacylglycerinen - mit Hilfe von Gallensäuren entstehen Micellen, die von Mucosazellen des Darmes aufgenommen werden können - die meisten Zellen können TAGs synthetisieren (machen im Fettgewebe ca. 95% der Zellmasse aus) - unter Nahrungskarenz werden TAGs in Fettsäuren und Glycerin gespalten, ins Blut abgegeben und in verschiedenen Zielgeweben verstoffwechselt - bei Normalgewichtigen ist die Menge des Fettgewebes zwischen 10 und 15% Synthese von TAG - Zunächst müssen sowohl Glycerin als auch die Fettsäuren ATP-abhängig aktiviert werden. - Für die Aktivierung des Glycerin stehen zwei Wege zur Verfügung: o Dihydroxyacetonphosphat wird mit der α-Glycerophosphat-Dehydrogenase reduziert, es entsteht α-Glycerophosphat. Dieser Weg wird in den meisten Geweben genutzt. UV 8 von 12 TJW - o Leber, Niere, Darmmukosa sowie die laktierende Mamma verfügen über einen Sonderweg. Das Enzym Glycerokinase kann Glycerin direkt ATP-abhängig phosphorylieren, somit entsteht ebenfalls α-Glycerophosphat. Die Fettsäuren werden mit dem Enzym Acyl-CoA-Synthetase ATP-abhängig zu AcylCoA umgewandelt. 1. Schritt: α-Glycerophosphat + 2 Acyl-CoA - Glycerophosphat-Acyltransferase (GPAT) -> Phosphatidsäure (Phosphatidat bzw. zweifach acetyliertes Glycerophosphat) 2. Schritt: Phosphatidat - Phosphatidat-Phosphohydrolase -> Diacylglycerin + Phosphat 3. Schritt: Diacylglyerin + Acyl-CoA - Diacylglyerin-Acyltransferase -> Triacylglycerin o Dieser Schritt ist entscheidend. Bis zum 2. Schritt ist die Synthese von Phospholipiden und TAGs gleich. Das Schlüsselenzym für die TAG-Synthese ist somit die Diacylglycerin-Acyltransferase. Abbau der TAG: - Intrazelluläre Abbau von TAGs zur Einschleusung in die β-Oxidation: o Das grundsätzliche Prinzip ist folgendermaßen: TAG wird hydrolytisch zerlegt in Diacylglycerin und eine Fettsäure. DG wird hydrolytisch zerlegt in Monoacylglyerin und eine Fettsäure. MG wird hydrolytisch zerlegt in Glycerin und eine Fettsäure. o Es existieren drei Hormone: Triacylglycerin-Lipase des Fettgewebes (ATGL) Hormonsensitive Lipase Monoacylglycerin-Lipase Die ATGL verfügt auch über eine Transacylase-Aktivität und kann folgende Reaktionen ermöglichen: - DG + DG TAG + MG - DG + MG TAG + Glycerin o Wichtig ist, dass das Glycerin über die Glycerokinase der Leber, Nieren und der Darmmukaso ATP-abhängig zum α-Glycerophosphat phosphoryliert werden kann. Dieses kann dann (nach Oxidation durch die NAD-abhängige Glycerophosphat-Dehydrogenase) in die Glykolyse oder Gluconeogenese eingeschleust werden. - Abbau von TAGs in Lipoproteinen: o Im Blut lassen sich beim Gesunden TAGs in einer Konzentration zwischen 50 und 100 mg / dl nachweisen. o Im Blut werden sich in Form von TAG-reichen Lipoproteinen transportiert, vor allem VLDL und Chylomikronen. o Die TAGs werden dann in einem zweistufigen Prozess von den Zellen aufgenommen: zunächst Spaltung in Fettsäuren und Glycerin dann Aufnahme der Fettsäuren und ggf. des Glycerins o Die Lipoproteinlipase ist für die Spaltung zuständig. Sie ist hauptsächlich mit der Außenmembran vieler Zellen assoziiert (vor allem Endothelzellen der Kapillaren). o Die Fettsäuren gelangen dann entweder per Diffusion oder über einen Carriervermittelten Prozess. UV 9 von 12 TJW Interessanterweise ist das sog. Fettsäuretransportprotein direkt mit der Acyl-CoA-Synthetase assoziiert. Somit werden die importieren Fettsäuren umgehen aktiviert. Biosynthese und Abbau der Phosphatide - Phospholipide sind wichtige Grundbausteine von Membranen. - Phospholipide werden an einem Glycerolgrundgerüst gebildet. o Die ersten beiden C-Atome werden mit Fettsäuren verestert (C-2 häufig mit ungesättigter FS). o C-3 wird mit einem Phosphatrest verknüpft. o Eine polare Kopfgruppe wird angehängt. o mögliche Kopfgruppen sind: Wasser Cholin Ethanolamin Serin Glycerol Phosphatidylglycerol myo-Inositol - Wichtige Phospholipide in Membranen sind: o Phosphatidat o Phosphatidylethanolamin o Phosphatidylserin o Phosphatidylcholin - Phosphatidylcholin, Phosphatidylethanolamin und Phosphatidylinositol können de novo synthetisiert werden. - Ausgangsstoff ist das Phosphatidat, welches aus α-Glycerophosphat (siehe TAG Synthese) gebildet wird. - Reaktion verbraucht 1 CTP (Cytidintriphosphat). - Anstatt neu zu Synthetisieren können einzelne Phosphoglyceridkomponenten ausgetauscht werden: o Phosphatidylethanolamin wird methyliert zu Phosphatidylcholin o Ethanolaminrest des Phosphatidylethanolamin kann gegen Serin getauscht werden, so entsteht Phosphatidylserin o Phosphatidylserin kann decarboxyliert werden zu Phosphatidylethanolamin Eicosanoide - Prostaglandine, Thromboxane und Leukotriene werden als Eicosanoide zusammengefasst. - Arachidonsäure ist das Ausgangssubstrat für die Bildung. Sie wird durch die Phospholipase-A2 aus Membranlipiden abgespalten. - Die Synthese von Prostaglandin/Thromboxan unterscheidet sich von der der Leukotriene. Erstes wird aus Arachidonsäure über die sog. Prostaglandin-H-Synthase, die eine Cyclooxygenase- und eine Peroxidase-Aktivität besitzt. Letztere wird über den Lipoxygenase-Weg gebildet. o Wichtig: Das heißt gleichzeitig, dass sog. COX-Hemmer die Synthese von Leukotrienen nicht hemmen kann! Hierfür muss man die Phospholipase-A2 hemmen. - Bei der Prostaglandin/Thromboxan-Synthese ist das zentrale Intermediat das Prostaglandin H2. Von diesem aus werden alle weiteren Prostaglandine und Thromboxan gebildet. UV 10 von 12 TJW - Die Biosynthese von Eicosanoiden findet im ER statt. Regulation der Lipogenese und Lipolyse - Die Regulation von Lipogenese und Lipolyse muss aufgrund ihrer Bedeutung für den Organismus sehr genau geregelt sein. - Die hormonsensitive Lipase wird durch Interconvertierung geregelt. o Die Fettröpfchen, die das Substrat für die HSL enthalten, sind von dem Protein Perilipin umgeben und verhindern so, dass die HSL das Substrat erreichen kann. o Außerdem liegt die HSL dephosphoryliert im inaktiven Zustand im Cytosol vor. o Durch Adrenalin bzw. Glucagon wird über einen β-Rezeptor die cAMPSynthese erhöht. Hierdurch wird die Proteinkinase A aktiviert. o Die Proteinkinase phosphoryliert ATP-abhängig sowohl das Perilipin als auch die HSL. Hierdurch wird das HSL aktiv und das Perilipin diffundiert ab. o Wenn der cAMP-Spiegel absinkt, dann werden Perilipin und HSL durch die Proteinphosphatase PP1 dephosphoryliert und die Lipolyse stoppt. - Über die Regulation der ATGL ist nichts bekannt. - Die Triacylglycerinsynthese ist hauptsächlich abhängig vom Ernährungszustand. - Die Glycerophosphat-Acyltransferase (GPAT) wird durch Insulin über die Mitwirkung von SCREP-1c aktiviert. Außerdem wird sie vermutlich über die PKA phosphoryliert bzw. dephosphoryliert (also aktiviert). Es gibt Hinweise, dass eine AMP-abhängige Proteinkinase zur Inaktivierung der GPAT imstande ist. - Die Phosphatidat-Phosphohydrolase wird durch Acyl-CoA aktiviert. - Diacylglycerin steht an einer Verzweigungsstelle des Stoffwechsels, deswegen muss davon ausgegangen werden, dass auch die Diacylglycerin-Acyltransferase (DGAT) reguliert werden muss. Hierzu gibt es allerdings keine Ergebnisse. Ketogenese, physiologische und pathologische Bedeutung der Ketonkörper: Synthese und Abbau der Ketonkörper - Als Ketonkörper werden bezeichnet o Acetoacetat o β-Hydroxybutyrat o Aceton - Bildungsort sind ausschließlich die Mitochondrien der Hepatozyten. Sie werden nur dann gebildet, wenn die Konzentration an Acetyl-CoA erhöht ist. - Acetoacetat und β-Hydroxybutyrat sind bei Nahrungskarenz wichtige Energielieferanten für die Skelettmuskulatur und den Herzmuskel. Außerdem können sie eine Energiequelle für das Gehirn werden. - Aceton hat keine Funktion im Stoffwechsel, es wird über Urin und Atemluft ausgeschieden. - Interessant ist, dass die Leber Ketonkörper produzieren, aber nicht verwerten kann. - Ablauf der Synthese: o Schritt 1: Entstehung von Acetoacetyl-CoA Die letzte Reaktion der β-Oxidation wird umgekehrt. Hierbei katalysiert das Enzym Thiolase aus 2 Acetyl-CoA ein Acetoacetyl-CoA. o Schritt 2: Entstehung von HMG-CoA Acetoacetyl-CoA reagiert mit einem weiteren Acetyl-CoA. UV 11 von 12 TJW Katalysiert wird diese Reaktion durch die HMG-CoA-Synthase, ein mitochondriales Enzym. Es entsteht β-Hydroxy-β-methylglutaryl-CoA. Das ist ebenfalls ein Zwischenprodukt der Cholesterinsynthese, hier wird es aber im Zytosol synthetisiert. o Schritt 3: Entstehung von Acetoacetat Vom HMG-CoA wird Acetyl-CoA abgespalten. Das notwendige Enzym ist die HMG-CoA-Lyase o entweder hier ist Schluss oder Schritt 4: Synthese von β-Hydroxybutyrat Acetoacetat wird mittels der β-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase (Vorkommen in vielen Organen) NADH-abhängig reduziert. β-Hydroxybutyrat ist in Blut und Urin in höheren Konzentrationen zu finden als Acetoacetat. o Außerdem kann es noch zu einer spontanen Decarboxylierung von Acetoacetat kommen. Hierdurch entsteht Aceton. Wichtig: Bei Acetoacetat und β-Hydroxybutyrat handelt es sich um Carbonsäuren. Es kommt also zu einer Ansäuerung des Blutes. Diese metabolische Azidose kann weitere schwerwiegende Komplikationen nach sich ziehen! Ablauf des Abbau: o Schritt 1: Oxidierung des β-Hydroxybutyrat Durch die NAD+-abhängige β-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase wird βHydroxybutyrat zu Acetoacetat oxidiert. o Schritt 2: Reaktion mit CoA in einer Transacylierungsreaktion Acetoacetat reagiert mit dem Coenzym A, welches vom Succinyl-CoA stammt, zum Acetoacetyl-CoA. Das notwendige Enzym ist die Succinyl-CoA-Acetoacetyl-CoA-Transferase. Dieses Enzym gibt es in der Leber nicht, somit kann sie keine Ketonkörper verwerten! o Schritt 3: Bildung von zwei Acetyl-CoA Acetoacetyl-CoA besitzt eine Carbonylgruppe in β-Stellung. Dies wird von der 3-Keto-Thiolase für eine thioklastische Spaltung benötigt. Die Carbonylgruppe reagiert somit mit der SH-Gruppe eines freien CoA. Es entstehen zwei Acetyl-CoA o Man kann Acetoacetat auch direkt mit ATP aktivieren, allerdings ist dieser Prozess so selten, dass er keine Rolle spielt. Es handelt sich somit bei den Ketonkörpern um eine Transportform von Acetyl-CoA. Dieser Mechanismus wird von der Leber genutzt, um ihr Acetyl-CoA anderen Geweben zur Einschleusung in den Citrat-Zyklus zur Verfügung zu stellen. - - UV 12 von 12 TJW
