Biochemie der Ernahrung, 3. Auflage

Biochemie der Ernährung

Gertrud Rehner · Hannelore Daniel

Biochemie der Ernährung 3. Auflage

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3. Auflage 2010 © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2010 Spektrum Akademischer Verlag ist ein Imprint von Springer

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Planung und Lektorat: Merlet Behncke-Braunbeck, Martina Mechler Index: Bärbel Häcker Satz: TypoDesign Hecker GmbH, Leimen Umschlaggestaltung: SpieszDesign, Neu–Ulm Titelfotografie: Vitamin E, mit freundlicher Genehmigung des Arbeitskreises Ernährungs- und Vitamin-Informationen e.V. (evi)

ISBN 978-3-8274-2041-1

„Wollte ich Vollkommenheit anstreben, würde mein Buch nie fertig“ schrieb der chinesische Gelehrte Tai T’ung im 13. Jahrhundert … in diesem Sinne würden wir konstruktive Kritik begrüßen.

Die Autorinnen

Vorwort zur 3. Auflage

Nach Erscheinen der zweiten Auflage der Biochemie der Ernährung waren bereits mehr als acht Jahre vergangen, als sich der Verlag mit der Frage an uns wandte, ob wir zur Bearbeitung einer dritten Auflage bereit wären. Dieses Angebot erfreute uns natürlich, sprach es doch dafür, dass die „klassische“ Biochemie der Ernährung wohl auch weiterhin unverzichtbar ist. Durch den rasanten Fortschritt der molekularen Biologie während der letzten Dekade traten nämlich neue Aspekte der Ernährung in den Vordergrund der Forschung. Von besonderem Interesse war dafür die Entdeckung, dass verschiedene Nährstoffe wie auch andere Komponenten der Nahrung mit zentralen intrazellulären Signalkaskaden interferieren und auf die Genexpresion wirken. Die Variabilität solcher durch die Nahrung beeinflussbaren Systeme entspringt wohl der genetischen Varianz und/oder epigenetischen Mechanismen und mag erklären, weshalb unterschiedliche Individuen auf bestimmte Komponenten der Nahrung verschieden reagieren. Zweifelsohne bietet dieses neue Forschungsgebiet großartige Möglichkeiten für das Verstehen des Stoffwechsels und eventuell für das Vermeiden ernährungsbedingter Krankheiten. Die faszinierenden neuen Schwerpunkte der Ernährungsforschung haben sich unter den beiden Bezeichnungen „Nutritional Genomics“ und „Molecular Nutrition“ etabliert. Mit jeder neuen Auflage und dem neu angesammelten Wissen stellt sich natürlich die Frage: Was sollen wir weglassen und was sollen wir aufnehmen, um Studierenden und auch Lehrenden ein möglichst nützliches Lehrbuch an die Hand zu geben? Wir entschieden uns für die bisherige Betrachtung der Ernährung als Quelle für Energie und Baumaterial des menschlichen Körpers. Auch die Gliederung der vorherigen Auflagen, d.h. „die Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene“ (Teil I) und „Regulation des Metabolismus des Nährstoffe“ (Teil II) haben wir beibehalten. Wo es notwendig erschien, haben wir Ergänzungen vorgenommen, besonders bei der „Regulation der Nahrungsaufnahme“. Unserer Bitte folgend haben einige Leser auf Fehler und Unklarheiten hingewiesen. So gut es ging, haben wir sie beseitigt. Zu besonderem Dank verpflichtet sind wir auch bei dieser Auflage dem Tübinger Molekularpharmakologen Prof. Dr. Dietrich Winne, der auch in der zweiten Auflage noch zahlreiche Fehler entdeckt hatte. Ob diese dritte Auflage fehlerfrei ist?? Wir danken Spektrum Akademischer Verlag für die Bereitschaft, die dritte Auflage der Biochemie der Ernährung auf den Markt zu bringen. Besonders herzlich sei Frau Merlet Behncke-Braunbeck und Frau Martina Mechler gedankt. Ohne ihr Verständnis und ihre Aufmunterung hätte die 3. Auflage nicht realisiert werden können. Die Autorinnen

Vorwort zur 2. Auflage

Die erste Auflage der Biochemie der Ernährung fand eine unerwartet positive Aufnahme, sodass knapp zwei Jahre nach ihrem Erscheinen der Verlag und die Autorinnen eine Überarbeitung und Erweiterung des Lehrbuchs ins Auge gefasst haben. Die bewährte Gliederung in einen ausführlichen zellbiologischen Teil und einen zweiten Teil, der den Stoffwechsel der Nährstoffe unter Berücksichtigung der Organspezifität behandelt, wurde in der neuen Auflage beibehalten. Einige Kapitel – insbesondere im zellbiologischen Teil – wurden neu gefasst, mehrere Abbildungen neu gezeichnet. Bei anderen Kapiteln beschränkten wir uns auf einige Ergänzungen und Korrekturen. Die zweite Auflage enthält außer dem Haupttext 12 sogenannte Exkurse, die einzelnen Kapiteln zugeordnet sind, ohne direkt in den Haupttext integriert zu sein. Diese, auch in anderen modernen Lehrbüchern übliche Darstellungsart, wurde gewählt, um die Kontinuität des Haupttextes zu wahren, anstatt ihn durch Details zu überfrachten. Die ersten fünf Exkurse sind dem zellbiologischen Teil zugeordnet. Sie enthalten molekularbiologische Grundinformationen und sollen das Verstehen der behandelten zellulären Prozesse einem größeren Kreis von Lesern erleichtern. Die weiteren sieben Exkurse befassen sich mit der Entstehung funktionstüchtiger Moleküle durch die Proteinfaltung, dem oxidativen Stress und seiner biologischen Abwehr, spezifischen Fragen der intestinalen Resorption, den molekularen Grundlagen des Sauerstofftansportes sowie dem Stoffwechsel des Ethanols und der Harnsäure. Obwohl in mehreren Rezensionen angeregt, konnte die Pathobiochemie der Ernährung auch in der vorliegenden Auflage nicht berücksichtigt werden – mit Ausnahme gelegentlicher kurzer Hinweise. Dieses Gebiet ist so umfangreich, dass seine einigermaßen zufriedenstellende Behandlung beim vorgegebenen Umfang des Lehrbuchs nicht möglich gewesen wäre. Unserer Bitte folgend haben einige Leser der ersten Auflage auf Unklarheiten hingewiesen und Verbesserungsvorschläge gemacht. Zu besonderem Dank verpflichtet sind wir dem Tübinger Molekularpharmakologen Prof. Dr. Dietrich Winne, der die erste Auflage des Buches sorgfältig durchgearbeitet und uns auf eine Reihe von Fehlern und Unstimmigkeiten aufmerksam gemacht hat. Ebenfalls dankbar sind wir unserer Kollegin Prof. Dr. Katja Becker-Brandenburg für die kritische Durchsicht einiger Kapitel sowie von Exkurs 5.1. Sehr hilfreich empfanden wir die „Fehler-Suchleidenschaft“ der Diplomökotrophologin Susanne Sachs. Wir waren bemüht, alle Fehler, auf die sie uns aufmerksam gemacht hat, aus dem Text und den Abbildungen zu eliminieren, sind jedoch sicher, dass sie auch in der zweiten Auflage noch welche entdecken wird. Für Hinweise und konstruktive Kritik sind wir auch weiterhin allen Lesern dankbar. Wir danken Spektrum Akademischer Verlag für die Bereitschaft, die zweite Auflage der Biochemie der Ernährung auf den Markt zu bringen. Dass dies relativ schnell erfolgt ist, verdanken wir der „katalytischen“ Wirkung von Frau Merlet Behncke-Braunbeck. Besonderer Dank gilt auch dieses Mal unserer Lektorin Frau Martina Mechler für die stets geduldige und humorvolle Aufmunterung während der vielen Monate der Umarbeitung. November 2001

Die Autorinnen

Vorwort zur 1. Auflage*

Der Stoffwechsel ist ein grundsätzliches Charakteristikum lebender Systeme jeglicher Entwicklungsstufe. Um ihn aufrechtzuerhalten, bedarf es der Zufuhr von anorganischen, für die meisten Lebewesen auch von organischen Substanzen aus der Umgebung. Phototrophe Organismen sind zusätzlich auf die Bereitstellung von Lichtenergie angewiesen. Die Aufnahme fester, flüssiger und gasförmiger anorganischer und organischer Stoffe zur Deckung des Substanz- und Energiebedarfs aller Lebensvorgänge wird als Ernährung im weitesten Sinne bezeichnet. Die chemotrophen und phototrophen Organismen, die ihre vitalen Vorgänge auch ohne Zufuhr organischer Verbindungen aus ihrem Lebensraum aufrechterhalten können, sind autotroph. Ihnen werden die heterotrophen Organismen gegenübergestellt, die nur organische Verbindungen als Quelle von Baustoffen und von Energie verwerten können. Zu dieser Klasse von Organismen gehört bekanntlich auch der Mensch, dessen Ernährung als biochemischer Prozeß im Mittelpunkt dieses Lehrbuchs steht. Physiologische Funktionen resultieren aus der Summation biochemischer Prozesse. Die Biochemie der Ernährung ist daher auch Grundlage zum tieferen Verständnis der Ernährungsphysiologie. Der Übergang zwischen diesen beiden Teildisziplinen der Ernährungswissenschaft ist fließend. Je detaillierter die Kenntnisse über die molekularen Prozesse der Ernährung, um so besser kann das „Idealziel“ der Ernährungswissenschaft, die „richtige“ Ernährung von Individuen und Kollektiven zu definieren, angenähert werden. Aufnahme und Metabolisierung der Nährstoffe sowie die Eliminierung der unverwertbaren Endprodukte spielen sich primär auf der Ebene von Zellen ab. Die Zellbiologie als allgemeingültige Basis des Stoffwechselgeschehens spielt daher eine grundlegende Rolle in diesem Lehrbuch und bildet seinen ersten Teil. Die Regulationsmechnismen, ohne die der koordinierte Ablauf der stets komplexen Lebensvorgänge nicht vorstellbar ist, greifen bereits auf zellulärer Ebene an. Die evolutionär ursprüngliche Regulation des Substanzdurchtritts durch die biologische Membran sowie die Steuerung des Metabolismus auf der Ebene der enzymatischen Katalyse machen den geregelten Ablauf des Zellstoffwechsels mit Tausenden von synchron und in enger räumlicher Nachbarschaft stattfindenden Reaktionen überhaupt erst möglich. Diese bereits bei den Prokaryoten bewährten Prinzipien der Steuerung wurden über Jahrmillionen hinweg konserviert. Die immer komplexeren zellulären Reaktionen erforderten eine Weiterentwicklung der räumlichen Ordnung in der Zelle. Durch die Kompartimentierung entstanden die Zellen der Eukaryoten. Der Zusammenschluß von Zellen zu mehrzelligen Lebewesen führte zur Ausdifferenzierung verschiedener Zelltypen eines Organismus und damit zu der evolutionär höchst vorteilhaften Arbeitsteilung. Die Entwicklung von Funktionseinheiten in Form von Geweben und Organen, mit unterschiedlicher biochemischer und damit unterschiedlicher physiologischer Potenz, erfordert eine meistens über lange Strecken wirksame humorale Kommunikation zwischen den Organen. Diese Informationsübertragung wird bei höheren tieri-

* Vielleicht sollten Sie auch dieses Vorwort lesen.

XII

Biochemie der Ernährung

schen Organismen, einschließlich des Menschen, hauptsächlich durch Hormone realisiert. Die grundlegenden Prinzipien der biologischen Regulation gelten selbstverständlich auch für den Stoffwechsel der Nährstoffe, der Gegenstand des zweiten Teils des Lehrbuchs ist. Hier steht die Organspezifität der biochemischen Prozesse im Mittelpunkt. Dementsprechend spiegelt die Gliederung dieses Teils die Prozeßfolge wider, die die Nährstoffe im menschlichen Körper durchlaufen. Die Steuerung der Nahrungs- und Trinkwasseraufnahme durch Hunger und Durst sowie die biochemischen Vorgänge, die mit den Empfindungen Geschmack und Geruch in Zusammenhang stehen, leiten diesen Teil ein. Der Magendarmtrakt als Ort der Verdauung und Resorption wird als Vermittler zwischen Innen- und Außenwelt betrachtet. Ein Kapitel über das Blut als System zur Verteilung der Nährstoffe und zur Vermittlung der Homöostase führt weiter zur Metabolisierung der Nährstoffe in den – der Masse nach überwiegenden – Organen und Geweben, das heißt, in der Leber, im Fett- und im Muskelgewebe. Der physiologischen Sequenz folgend beschließt ein Kapitel über die Funktion der Niere als Ausscheidungsorgan den zweiten Teil des Lehrbuchs. Abweichend von der Gliederung der meisten Lehrbücher der Biochemie erfolgt die Betrachtung also nicht nach chemisch-deskriptiven Gesichtspunkten. Statt der Substanzklasse steht die Funktion auf der Ebene der Zelle und des Organismus im Mittelpunkt. Als Grundlage für das Lehrbuch diente der Stoff, den wir unseren Studierenden in Pflichtvorlesungen und fakultativen Veranstaltungen – stets unter Berücksichtigung des Erkenntnisfortschritts – über Jahrzehnte hindurch vermittelt haben. Geschrieben haben wir dieses Buch primär für die Studierenden der Ernährungswissenschaft in höheren Semestern, die durch das Grundstudium bereits Kenntnisse der allgemeinen Biochemie erworben haben. Es würde uns jedoch freuen, wenn es auch andere an Fragen der Ernährung Interessierte lesenswert fänden. Wir setzten voraus, daß unsere Leser mit dem chemischen Aufbau der Nährstoffe sowie mit den grundlegenden Prozessen des Stoffwechsels – wie Glykolyse, Lipogenese und Lipolyse, Tricarbonsäurecyclus (Citratcyclus), oxidative Phosphorylierung, Proteinbiosynthese und einiges mehr – grundsätzlich vertraut sind. Das von uns verfaßte Lehrbuch kann und soll weder die einführenden Lehrbücher der Biochemie überflüssig machen, noch jene ausgezeichneten Werke ersetzen, die nach mehreren Auflagen zu umfangreichen Nachschlagewerken der Biochemie erweitert worden sind (siehe Literaturempfehlungen). Die pathobiochemischen Fragen der Ernährung haben wir nicht berücksichtigt, da sie den vorgegebenen Umfang des Lehrbuches gesprengt hätten. Auf diese hochinteressanten Aspekte haben wir nur gelegentlich kurz hingewiesen. Für die Weiterbildung auf diesem Gebiet muß auf die in größerer Zahl vorhandenen Lehrbücher der Pathobiochemie und Pathophysiologie verwiesen werden (siehe Literaturempfehlungen). Auf eine Einführung in die experimentellen Methoden der Zellbiologie und Molekularbiologie, die alle wichtigen Fortschritte der Biochemie der letzten Jahre ermöglicht haben, haben wir ebenfalls verzichtet. Die Ernährung des Menschen hat zahlreiche Facetten. Es gibt daher mehrere Disziplinen, die die „Ernährungswissenschaft“ für sich reklamieren. Dennoch ist die Ernährung primär ein biochemisch-physiologischer Prozeß, ohne dessen grundlegende Kenntnis sich die angewandten Zweige der Ernährungswissenschaft auf einem gefährlich unwissenschaftlichen Terrain bewegen würden. Wir hoffen mit diesem Lehrbuch nicht zuletzt einen Beitrag dazu geleistet zu haben, daß unsere Studierenden die Faszination der Biochemie, die stets auch „ernährungsrelevant“ ist, entdecken.

Vorwort zur 1. Auflage

XIII

Wir danken Spektrum Akademischer Verlag für die Realisierung dieses LehrbuchProjektes, das auf die Anregung von Frau Dr. Ursula Loos zurückgeht. Ihr danken wir für die Geduld, mit der sie die reichlich verspätete Ablieferung des Manuskriptes ertrug. Besonderer Dank gilt der Mitarbeiterin des Lektorats Frau Martina Mechler, die in der letzen, schwierigen Phase der Herstellung uns beinahe täglich aufmunterte, das wortreiche Wehklagen über die nicht immer optimal reproduzierten Abbildungen anhörte und stets für Abhilfe sorgte. Last but not least, danken wir Frau Ute Richter für das tadellose Schreiben des Manuskriptes.

Gießen im Februar 1999

Gertrud Rehner Hannelore Daniel

Inhaltsübersicht

Teil I

1

Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene 1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten 3

Teil II Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus 175 2

Regulation der Nahrungsaufnahme 177

3

Wahrnehmung des Geschmacks und des Geruchs der Nahrung 199

4

Die Nährstoffe 217

5

Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen 275

6

Die Entwicklung von Organen als evolutionärer Fortschritt 295

7

Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 307

8

Das Blut – Transportsystem und Vermittler der Homöostase 363

9

Die Leber als multifunktionelles Organ 409

10

Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels 493

11

Das Muskelgewebe – Energietransformator und Proteinspeicher 521

12

Die Niere als Ausscheidungsorgan 543

Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur 3. Auflage

VII

Vorwort zur 2. Auflage

IX

Vorwort zur 1. Auflage

XI

Teil I

Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

1

Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten 3

1.1 1.1.1 1.1.2

Die biologische Membran 5 Molekulare und strukturelle Organisation der biologischen Membran 5 Die biologische Membran als Voraussetzung eines selektiven Stoffaustausches 13 Rezeptoren der biologischen Membran als Empfänger und Übermittler von Signalen 27

1.1.3

1.2 1.2.1

1.2.2

1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 1.3 1.3.1

Die Zellkompartimentierung 41 Der Zellkern 44 EXKURS 1.1: Die Kern-DNA und ihre Replikation 45 EXKURS 1.2: Die Transkription der DNA – Erster Schritt zur Expression der genetischen Information 51 Das endoplasmatische Reticulum 57 EXKURS 1.3: Was ist ein Ribosom? 61 EXKURS 1.4: Die Translation – Ein Prozess außerhalb des Kernraumes 66 Der Golgi-Apparat 71 Das Lysosom 77 Das Peroxisom 80 Das Mitochondrion 82 EXKURS 1.5: Die mitochondriale DNA und ihre Leistung 83 Das Cytosol 96 Die enzymatische Regulation 103 Die Menge des Enzymproteins lässt sich sowohl durch Steuerung der de novo Synthese als auch durch Steuerung des Abbaus modifizieren 107

XVIII

1.3.2 1.3.3 1.3.4

1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5 1.4.6 1.4.7

Biochemie der Ernährung

Die enzymatische Katalyse muss sich der Stoffwechsellage kurzfristig und auch ohne Änderung der Enzymmenge anpassen 112 Bei manchen Enzymen wird eine irreversible Aktivierung durch Proteolyse erreicht 129 Die Existenz von Isoenzymen ermöglicht unterschiedliche Steuerungsmöglichkeiten in verschiedenen Organen und verschiedenen Zellkompartimenten 131 Die hormonale Regulation 132 Hormone können nach unterschiedlichen Gesichtspunkten klassifiziert werden 133 Hormone stehen in Wechselwirkung miteinander und bilden in vielen Fällen hierarchische Systeme 138 Synthese und Sekretion der Peptidhormone erfolgt in der Regel nach einem für alle Sekretproteine gültigen Muster 141 Viele Hormone und sonstige Signalstoffe entstehen durch Modifikation von Aminosäuren 151 Die Steroidhormone des Menschen und anderer Wirbeltiere sind Metaboliten des Cholesterins 161 Auch Derivate des Vitamin A wirken als Hormone 169 Eikosanoide sind Signalstoffe besonderer Art 171

Teil II Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus 2

Regulation der Nahrungsaufnahme 177

2.1

Hunger und Sättigung sind Empfindungen mit sehr komplexen Auslösungsmechanismen 178 Das Gehirn empfängt und prozessiert alle Signale, die die Empfindung von Hunger und Sättigung auslösen 179 Signalträger für das Gefühl von Hunger und Sättigung entstehen auf unterschiedlichen Ebenen 180 In der postresorptiven Phase steuern unter anderem die Makronährstoffe und ihre Metaboliten die Nahrungsaufnahme 181 Pankreatische und gastrointestinale Hormone beteiligen sich ebenfalls an der Steuerung der Nahrungsaufnahme 186 Einige Neurotransmitter und Neuromodulatoren steuern auf zentraler Ebene nicht nur die Energieaufnahme, sondern auch die Selektion der Makronährstoffe 188 Gentechnologische Methoden eröffnen der Forschung über die Regulation der Nahrungsaufnahme und des Körpergewichts neue Möglichkeiten 191 A never ending story? 195

2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5

2.1.6 2.1.7

Inhaltsverzeichnis

XIX

3

Wahrnehmung des Geschmacks und des Geruchs der Nahrung

3.1

Der Geschmack wird über im Mund und im Rachen lokalisierte Geschmacksknospen wahrgenommen 200

3.2

Die einzelnen Geschmacksqualitäten kommen durch unterschiedliche molekulare Prozesse zustande 201

3.3

Die Geschmacksinformationen werden durch mehrere afferente Nerven der zentralen Verarbeitung zugeführt 205

3.4

Die Geruchsempfindung wird durch spezifische Sinneszellen der Riechschleimhaut vermittelt 206

3.5

Auch bei der Geruchswahrnehmung spielen G-Protein-gekoppelte Rezeptoren eine Schlüsselrolle 207

3.6

Die neurale Verarbeitung der Geruchsreize ist komplex 209

3.7

Die Wahrnehmung des flavours der Nahrung hat vielfältige physiologische Konsequenzen 210

3.8

Die Grundgeschmacksqualitäten lassen sich in vielen Fällen mit bestimmten molekularen Strukturen in Zusammenhang bringen 212

3.9

Die Zusammenhänge zwischen stereochemischer Struktur und Geruchsqualität sind weitgehend ungeklärt 216

4

Die Nährstoffe

4.1

Nur wenige Kohlenhydrate haben eine quantitative Bedeutung für die Ernährung des Menschen 217

4.2 4.2.1

Die Lipide bilden eine außerordentlich heterogene Stoffklasse 221 Unter den alimentär zugeführten Lipiden überwiegen die Triglyceride 221

4.3

Kein anderes Biomolekül übertrifft die funktionelle Vielfalt der Proteine 224 Zwanzig proteinogene L-Aminosäuren sind Bausteine aller Proteine 226 EXKURS 4.1: Von der Peptidkette zum biologisch aktiven Protein 228 Aminosäuren sind die Vorstufen fast aller stickstoffhaltigen Verbindungen des Organismus 234

4.3.1 4.3.2

199

217

XX

4.4 4.4.1 4.4.2 4.5 4.5.1 4.5.2

4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3

Biochemie der Ernährung

Vitamine sind essentielle Spurennährstoffe 235 Die vier fettlöslichen Vitamine haben unterschiedliche biochemische Funktionen 236 Alle wasserlöslichen Vitamine haben Coenzymfunktionen 242 Die Mineralstoffe werden auch als anorganische Nährstoffe bezeichnet 258 Nur etwa ein Viertel der Elemente des Periodensystems sind „Bioelemente“ 259 Die Mineralstoffe haben strukturbildende, katalytische und regulatorische Funktionen 262 Das Wasser ist ebenfalls ein essentieller Nährstoff 264 Wasseraufnahme und Wasserabgabe müssen im Gleichgewicht stehen 265 Der Wasserbestand des Organismus ist ungleichmäßig verteilt 266 Die Wasseraufnahme wird durch den Durst gesteuert, die Wasserabgabe hormonell auf renaler Ebene geregelt 269

5

Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen 275

5.1

Beim anaeroben Abbau von Nährstoffen entsteht das ATP durch Substratkettenphosphorylierung 277

5.2

Der überwiegende Teil nutzbarer biologischer Energie wird durch den oxidativen Abbau der Nährstoffe gewonnen 278 Die Reaktionsfolge des Tricarbonsäurecyclus liefert den Hauptanteil der Reduktionsäquivalente für die Atmungskette 280 Energiekonservierung durch Protonengradienten an der Innenmembran der Mitochondrien ist ein zentrales Prinzip der Bioenergetik 285 EXKURS 5.1: Oxidativer Stress und Abwehrmechanismen 291

5.2.1 5.2.2

6

Die Entwicklung von Organen als evolutionärer Fortschritt 295

6.1

Zelldifferenzierung, Gewebeentwicklung und Organogenese sind Grundlagen einer effektiven Arbeitsteilung 295

6.2

Die Zellen bilden hochdifferenzierte Funktionseinheiten: Die Gewebe und Organe 299

6.3

Die morphologische Differenzierung wird von der Diversifizierung des Zellstoffwechsels begleitet 305

Inhaltsverzeichnis

XXI

6.3.1

Der Stoffwechsel der Hauptnährstoffe hat organspezifische Charakteristika 306

7

Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 307

7.1

Die gastrointestinalen Funktionen werden komplex geregelt 308

7.2 7.2.1

Die Nahrung wird in der Mundhöhle nicht nur zerkleinert 311 Die Innervierung der Speicheldrüsen lässt „das Wasser im Munde zusammenlaufen“ 311

7.3 7.3.1

Der Magen erfüllt in erster Linie Kontrollfunktionen 314 Magenfunktionen werden mit intestinalen Sekretionsprozessen koordiniert 315 Die Digestionsleistungen des Magens sind vermutlich nicht sehr bedeutend 319

7.3.2

7.4 7.4.1

Verschiedene morphologische Strukturen führen zu einer extremen Vergrößerung der inneren Darmoberfläche 322 Der obere Dünndarm funktioniert wie ein Bioreaktor mit Prozessüberwachung 324

7.5

Das Gallensekret dient primär der Solubilisierung der Lipide des Chymus 328

7.6

Die enzymatische Hydrolyse der Nährstoffpolymere im oberen Dünndarm hat eine luminale und eine membrangebundene Phase 330 Die Digestion und Resorption von Kohlenhydraten erfolgt mit rasanter Geschwindigkeit 330 Im menschlichen Dünndarm existiert während der Fettverdauung ein ZweiPhasensystem 334 EXKURS 7.1: Die intestinale Resorption von Cholesterin wird durch spezifische Membranproteine begrenzt 340 Die Digestion der Proteine liefert vielfältige Produkte 341 Die Resorption von Aminosäuren erfolgt über eine Vielzahl von Transportsystemen 343 Auch größere Oligopeptide und Proteine werden vom Darmepithel intakt aufgenommen 345 EXKURS 7.2: Gastrointestinales Schicksal von DNA und RNA 347

7.6.1 7.6.2

7.6.3 7.6.4 7.6.5

7.7 7.7.1

Die Resorptionsprozesse von Elektrolyten und von Wasser sind osmotisch gekoppelt 349 Die Resorption der Mengenelemente Calcium, Magnesium und Phosphat wird von Wechselwirkungen bestimmt 351

XXII

Biochemie der Ernährung

7.7.2

Die Resorption von Eisen zeigt eine eindrucksvolle Adaptation an die Versorgungslage des Organismus 352

7.8

Die gastrointestinalen Vorgänge bei der Resorption von wasserlöslichen Vitaminen sind so vielgestaltig wie deren chemische Struktur 355 Die meisten wasserlöslichen Vitamine werden vor und nach der Resorption enzymatisch verändert 355 Cobalamine der Nahrung werden über einen exklusiven Weg resorbiert 357 Die Freisetzung der Vitamine aus den Coenzymformen erfordert vor allem membrangebundene Hydrolasen 358 Die wasserlöslichen Vitamine sind überwiegend schwache Elektrolyte 358

7.8.1 7.8.2 7.8.3 7.8.4

7.9 7.9.1

Der Dickdarm dient als Fermentationskammer 359 Die Stoffwechselleistungen der Flora beeinflussen das Darmepithel 360

8

Das Blut – Transportsystem und Vermittler der Homöostase 363

8.1

Das Blut ist ein sehr effektives Verteilersystem 363

8.2

Das Blut lässt sich in zwei Hauptfraktionen trennen 366

8.3

Das Blutplasma enthält eine große Vielfalt unterschiedlicher Substanzen 367 Die einzelnen Plasmaproteine haben verschiedene biologische Funktionen 368 Das Blutplasma transportiert die Lipide in Form von LipoproteinKomplexen 372 Die Lipoprotein-Komplexe werden im Blutplasma vielfältig modifiziert 375 Im Plasmawasser sind zahlreiche hydrophile, organische Verbindungen gelöst 379 Der Plasmaspiegel der meisten essentiellen Mineralstoffe wird in engen Grenzen konstant gehalten 380 Die Konzentration der Elektrolyte ist im intravasalen, im interstitiellen und im intrazellulären Raum unterschiedlich 386 Der pH-Wert des Blutes dient als Indikator für den Säure-Basen-Status des Organismus 389 Die Puffersysteme des Blutes halten den pH-Wert im extrazellulären Kompartiment im physiologischen Bereich 391 Um ihrer Aufgabe zu genügen, müssen die Puffersysteme des Blutes regeneriert werden 394

8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.3.6 8.3.7 8.3.8 8.3.9

Inhaltsverzeichnis

8.4 8.4.1 8.4.2

8.4.3

XXIII

Die Erythrocyten sind auf den Transport von Sauerstoff und Kohlendioxid spezialisiert 396 Die Synthese des Hämoglobins erfolgt während der Erythropoese 396 Sauerstoffaufnahme und -abgabe werden von Änderungen der Quartärstruktur des Hämoglobins begleitet 398 EXKURS 8.1: Das Hämoglobin – Funktionieren eines O2-transportierenden allosterischen Proteins 401 Der Transport von Sauerstoff und von Kohlendioxid sind aneinander gekoppelte Prozesse 404

9

Die Leber als multifunktionelles Organ 409

9.1

Die Leber weist eine spezifische Feinstruktur auf 409

9.2

Die „Filterwirkung“ der Leber sorgt für eine weitgehend konstante Nährstoffkonzentration im peripheren Blut 411

9.3

In der Leber finden alle wichtigen anabolen und katabolen Prozesse des Kohlenhydrat-Stoffwechsels statt 414 Die Glykolyse ist der Hauptweg zur Verwertung von Glucose 416 Die Gluconeogenese ist zur Aufrechterhaltung der Glucose-Homöostase unerlässlich 418 Die Schlüsselreaktionen von Glykolyse und Gluconeogenese werden durch verschiedene Enzyme katalysiert 419 Die aerobe Verwertung der Glucose führt über das Acetyl-CoA 428 Die Leber speichert Glucose in Form von Glykogen 431 Der Abbau der Galactose findet ebenfalls in der Leber statt 437 Die Fructose ist als Bestandteil der Saccharose ein bedeutendes Kohlenhydrat der menschlichen Ernährung 438 Im Pentosephosphat-Weg wird die Glucose direkt zu CO2 abgebaut 441

9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4 9.3.5 9.3.6 9.3.7 9.3.8 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3

Die Leber ist auch die Drehscheibe des Proteinstoffwechsels 445 Der Hepatocyt katabolisiert und synthetisiert sowohl zelleigene als auch nicht-zelleigene Proteine 448 Ein Teil der Aminosäuren wird von allen Zellen abgebaut 450 Aus dem Kohlenstoffgerüst der Aminosäuren entstehen Intermediate des Tricarbonsäurecyclus 458

9.5 9.5.1 9.5.2 9.5.3

Die Leber spielt auch im Lipidstoffwechsel eine zentrale Rolle 471 Die Bildung von Ketonkörpern dient der Energiekonservierung 471 Die Leber synthetisiert einen großen Teil des endogenen Cholesterins 475 Das Cholesterin ist die Muttersubstanz der Gallensäuren 482

9.6

Der Leberstoffwechsel weist eine periportal-perivenöse Zonierung auf 487

XXIV

Biochemie der Ernährung

EXKURS 9.1: Ethanol – Energielieferant, Genussmittel, Suchtdroge 488 10

Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels 493

10.1

Das histologische Bild widerspiegelt die spezifische Aufgabe des Fettgewebes 493 Die Entwicklung des Fettgewebes ist für die Pathogenese der Adipositas von größtem Interesse 495

10.1.1

10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4

10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3

Im Fettgewebe finden fast alle anabolen und katabolen Prozesse des Lipidstoffwechsels statt 495 Die Biosynthese der Fettsäuren findet im Cytosol statt 496 Der katabolen und anabolen Verwertung der Fettsäuren geht stets eine Aktivierung voraus 503 Die Verwertung der Fettsäuren zur Energiegewinnung beginnt mit ihrem intramitochondrialen Abbau zu Acetyl-CoA 504 Eine β-Oxidation von Fettsäuren findet auch in den Peroxisomen statt 508 Im Fettgewebe werden die Fettsäuren vorwiegend zur Synthese der Triglyceride verwendet 509 Zur Biosynthese der Triglyceride dienen aktiviertes Glycerin und aktivierte Fettsäuren 509 Der Abbau der Triglyceride wird durch Lipasen katalysiert 510 Synthese und Abbau der Triglyceride werden in einer konzertierten Aktion von Hormonen gesteuert 512

10.4

Die Phosphatidsäure ist auch die Vorstufe der meisten Phospholipide 515

10.5

Im braunen Fettgewebe findet eine „zitterfreie Thermogenese“ statt 517

10.6

Das Fettgewebe entpuppt sich als endokrines Organ 519

11

Das Muskelgewebe – Energietransformator und Proteinspeicher 521

11.1

Die Kontraktion der Muskelzelle kommt durch die Interaktion der Myofilamente zustande 523 Bei der Muskelkontraktion spielen mehrere Proteine eine Rolle 524 Grundlage der Muskelkontraktion ist die Interaktion des Myosinkopfes mit dem Actinfilament 526 Calciumionen wirken als Mediatoren zwischen der Membranerregung und der Kontraktion und Relaxation der Myofibrillen 527

11.1.1 11.1.2 11.1.3

Inhaltsverzeichnis

11.2 11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4

XXV

Die Energieversorgung der Muskulatur ist durch mehrere ATP-Quellen gesichert 531 Der Muskel kann das ATP aus Glucose anaerob oder aerob gewinnen 532 Der Muskel speichert Glykogen als Energiereserve und mobilisiert das Glucosepolymer bei Bedarf 534 Fettsäuren und Ketonkörper werden von der Muskelzelle zur aeroben Energiegewinnung verwendet 536 Zur schnellen Regenerierung von ATP dienen Transphosphorylierungen 537

11.3

Die Skelettmuskulatur enthält die größte Proteinreserve des Organismus 539

12

Die Niere als Ausscheidungsorgan 543

12.1

Der spezifische histologische Aufbau ist die Grundlage der renalen Funktionen 543

12.2

Die Hauptaufgabe der Nieren ist die Ausscheidung von Wasser und wasserlöslichen Substanzen mit dem Harn 547 Die glomeruläre Filtration ist ein druckabhängiger passiver Prozess 548 Für die Resorption und Sekretion der Harnbestandteile haben die einzelnen Tubulusabschnitte vielfältige Transportmechanismen 548 Der Organismus des Menschen kann Protonen ausschließlich über die Nieren eliminieren 560 Die Nieren sind sowohl für die Ausscheidung zahlreicher Kataboliten des Stoffwechsels als auch für die Exkretion von Xenobiotica zuständig 565 EXKURS 12.1. Woher stammt die Harnsäure? 567

12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.2.4

12.3

Der renale Stoffwechsel weist einige Besonderheiten auf 570

12.4

Die Nieren haben auch endokrine Funktionen 571

Literaturempfehlungen 573

Index

577

TEIL I Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

1

Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

Nach Auffassung von Evolutionsbiologen nahm die Entwicklung des Lebens ihren Anfang damit, dass sich organische Materie mit Hilfe einer Urmembran von ihrer Umgebung abgrenzte. Damit war die strukturelle und funktionelle Einheit aller Lebewesen, die Zelle, entstanden, die mit relativ geringfügigen Modifikationen über Jahrmilliarden hinweg als solche konserviert worden ist. Zu den Charakteristika lebender Systeme jeglicher Organisationsstufe, und somit auch der einzelnen Zelle, gehört der Stoffwechsel. Es handelt sich dabei um eine koordinierte Aktivität, die auf Anlieferung von Energie und Materie in Form von Nährstoffen aus der Umgebung angewiesen ist und deren Endprodukte teilweise in die Umgebung eliminiert werden. Um diesen Austausch zu ermöglichen, darf also die biologische Membran keine absolut dichte Barriere sein. Andererseits darf sie nur einen in qualitativer und quantitativer Hinsicht streng kontrollierten Substanzfluss erlauben, da ein beliebiger Stoffaustausch unweigerlich zum Zelltod führen würde. Die selektive Permeabilität ist zum Teil eine inhärente Eigenschaft der Membran, die durch ihre chemische Beschaffenheit gegeben ist. Andererseits besitzt die biologische Membran einige hochspezifische und durch interne und externe Signale steuerbare Transportvermittler, die dafür zuständig sind, dass bestimmte Substanzen – und nur diese – in definierter Menge in die Zelle aufgenommen werden oder sie verlassen. Die biologische Membran kann somit als evolutionär ältester Garant der Homöostase des inneren Milieus der Zelle angesehen werden. Dieses wiederum ist die Voraussetzung für den feingeregelten Ablauf des Zellstoffwechsels. Bei vielzelligen Organismen ist die biologische Membran gleichzeitig Empfänger der Botschaften, die den Stoffwechsel einzelner Organe miteinander koordinieren. Zu dieser Leistung der Signaltransduktion wird sie durch den Besitz von spezifischen Membranrezeptoren befähigt. Mit zunehmender Komplexität des Stoffwechsels im Verlauf der Evolution erwies es sich als vorteilhaft, den intrazellulären Raum durch unterschiedliche Membranspezies in diskrete funktionelle Räume, in Zellkompartimente, aufzuteilen. Auf dieser Ebene lässt sich ebenfalls eine effektive Regulation erreichen. Das umfangreicher und komplizierter gewordene genetische Material der Eukaryoten erforderte die Faltung und Verpackung der DNA mit spezifischen Proteinen zu abgegrenzten Komplexen, den Chromosomen. Diese befinden sich beim Eukaryoten im Zellkern, der durch eine Doppelmembran als Umhüllung vom übrigen Zellraum, dem Cytoplasma, getrennt ist. Die Transkription, die im Kern stattfindet, wurde so örtlich von der im Cytoplasma ablaufenden Translation, der Proteinbiosynthese, getrennt. Diese Trennung brachte entscheidende Vorteile für die Regulation beider Prozesse. Ein sicherlich ausschlaggebender evolutionärer Fortschritt wurde erzielt, als primitive anaerobe Eukaryotenzellen Prokaryotenzellen, die zu aerobem Stoffwechsel befähigt waren, – wahrscheinlich waren es Bakterien – auf Dauer in sich aufnahmen. Eine derartige Endosymbiose war nach heutiger Ansicht der Ursprung zur Entwicklung von

4

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Mitochondrien. Diese Organellen, die in jeder höheren Eukaryotenzelle vorkommen, befähigen die Wirtszelle nicht nur zum aeroben Stoffwechsel, sondern sind auch Zellkompartimente mit speziellen biochemischen Funktionen. Ihre Existenz ermöglicht unter anderem die räumliche Trennung von Stoffwechselprozessen mit gemeinsamen Ausgangssubstraten, Metaboliten und Endprodukten. Das geläufigste Beispiel in dieser Hinsicht ist die Kompartimentierung des Acetyl-CoA. Dieses ist das Endprodukt des Fettsäureabbaus in der β-Oxidation, die im Mitochondrion lokalisiert ist. Die Fettsäuresynthese, deren primäres Substrat das Acetyl-CoA ist, findet hingegen extramitochondrial statt. Einem unsinnigen „Recycling“ des Acetyl-CoA zwischen dem katabolen und dem anabolen Prozess wird durch die räumliche Trennung der beiden Acetyl-CoA-Pools vorgebeugt. Das endoplasmatische Reticulum und der Golgi-Apparat gehören zu den dynamischen Membransystemen der Zelle, die für eine räumlich organisierte Synthese von Proteinen und für die Lenkung dieser Moleküle zu den einzelnen Bestimmungsorten sorgen. Eine weitere Ebene, auf der die Steuerung des Zellstoffwechsels stattfindet, ist die enzymatische Regulation. Sie gehört – genauso wie die Membran – zu den evolutionär ursprünglichen Steuerungsmöglichkeiten, da die enzymatische Katalyse für alle lebenden Systeme unverzichtbar ist. Ohne eine hochwirksame und hochspezifische Katalyse kämen die meisten biochemischen Reaktionen in der Zelle gar nicht zustande, beziehungsweise verliefen außerordentlich langsam. Der Grund hierfür sind die sehr ungünstigen Reaktionsbedingungen in der Zelle: eine relativ niedrige Konzentration der Reaktanten in wässriger Umgebung mit etwa neutralem pH-Wert, ein Druck von nur einer Atmosphäre und eine niedrige Temperatur. In jeder Zelle katalysieren Hunderte von Enzymen ebenso viele – meistens schrittweise aufeinanderfolgende – Reaktionen von Stoffwechselketten, durch die Nährstoffe abgebaut werden, Makromoleküle aus einfacheren Vorstufen synthetisiert werden und chemische Energie gewonnen und umgesetzt wird. Biologische Systeme haben ein besonders wirksames Prinzip entwickelt, um diese vielen synchron und in räumlicher Nähe ablaufenden Reaktionen zu steuern, indem sie die Regelung auf die Ebene der Katalysatoren, das heißt der Enzyme, verlagert haben. Bei komplexen Stoffwechselketten sind es besondere Schlüsselenzyme, deren Effektivität je nach speziellem Bedarf einer bestimmten Stoffwechselsituation durch verschiedene Regelmechanismen verändert werden kann. Zwei grundlegend unterschiedliche Möglichkeiten gibt es zu diesem Zweck: Erstens die Änderung der Menge des Katalysators, indem die Synthese und/oder die Abbaurate des Enzymproteins modifiziert wird; zweitens die Änderung der Enzymaktivität bei konstanter Enzymmenge, wofür es mehrere hochwirksame Mechanismen gibt. Die bisher erwähnten Möglichkeiten der Stoffwechselregulation betrafen die Ebene einzelner Zellen. Die Entwicklung vielzelliger Organismen im Zuge der Evolution führte zu Zelldifferenzierung und Arbeitsteilung. Obwohl alle Zellen eine Grundausstattung an metabolischen Leistungen, wie Glykolyse und Energiestoffwechsel, beibehalten haben, unterscheiden sich auch diese grundlegenden Stoffwechselvorgänge in quantitativer Hinsicht in den einzelnen Zelltypen. Anatomisch und histologisch unterschiedliche Gewebe und Organe hochentwickelter Vielzeller erwarben zusätzlich stark spezialisierte Funktionen, die nur durch besondere biochemische Leistungen ihrer Zellen zu erfüllen sind. Damit der Gesamtorganismus als Einheit bestehen kann, müssen diese Funktionen allerdings koordiniert und aufeinander abgestimmt werden. Die voneinander oft sehr weit entfernten Organe müssen mittels Signalstoffe miteinander kom-

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

5

munizieren. Hierzu dienen Hormone und hormonähnliche Mediatoren, die in spezialisierten Einzelzellen von Geweben oder in Hormondrüsen gebildet werden. Unter diesen gibt es Vertreter, die in unmittelbarer Nähe des Bildungsortes wirken, und solche, die wie die „klassischen Hormone“ in der Blutbahn über weite Strecken hinweg zu den Zielorten transportiert werden. Um wirken zu können, braucht jedes Signal Rezeptoren, die entweder intrazellulär oder an der Membran der Zielzellen lokalisiert sein können. Somit schließt sich der Regelkreis, indem sich das evolutionär höchstentwickelte System mit dem ursprünglichen, der Membran, „kurzschließt“. Das registrierte Signal moduliert dann meistens auf der Ebene der Enzyme, wodurch sich deren Menge und/oder Aktivität so ändert, wie es die augenblickliche biochemische Gesamtsituation des Organismus erfordert.

1.1 Die biologische Membran Die biologische Membran ist ein evolutionär sehr altes Gebilde, das bei allen Entwicklungs- und Organisationsstufen lebender Systeme auftritt. Sie grenzt die Zelle als Struktur- und Funktionseinheit gegenüber ihrer Umgebung ab. In höher entwickelten Zellen der Eukaryoten umschließen bestimmte Spezies der biologischen Membran diskrete Zellkompartimente, in denen unterschiedliche biochemische Prozesse ablaufen. Ein ständiger Stoffaustausch mit der Umgebung ist ein Charakteristikum lebender Systeme. Dieses impliziert, dass die biologische Membran neben ihrer Aufgabe als Barriere auch die Funktion eines selektiv permeablen Transportsystems erfüllen muss. Weiterhin dient die Membran als Informationsvermittler bei der Kommunikation zwischen Zellen und Organen. Außerdem kommt ihr eine zentrale Rolle bei der Gewinnung und Speicherung biologischer Energie zu.

1.1.1 Molekulare und strukturelle Organisation der biologischen Membran Die außerordentlich vielfältigen Aufgaben der biologischen Membranen erfordern nicht nur eine unterschiedliche Lokalisation dieser Strukturen – sowohl als Begrenzung von Zellen als auch innerhalb von Zellen –, sondern auch die funktionsangepasste Ausbildung sehr verschiedener Membrantypen. Trotzdem besitzen alle biologischen Membranen eine Vielzahl von Gemeinsamkeiten, die vor allem auf die chemische Beschaffenheit ihrer Bausteine und deren Verhalten im wässrigen Milieu zurückführbar sind: – Membranen sind flächige Aggregate, die meistens zwischen 6 und 10nm dick sind. – Hauptbausteine der Membranen sind Lipide und Proteine, deren Gewichtsverhältnis je nach Membrantyp zwischen 1:4 und 4:1 liegt. Viele Membranen enthalten auch einige Prozent Kohlenhydrate in Form von Glykolipiden und Glykoproteinen. Weiterhin ist in den meisten Membranen tierischer Zellen auch Cholesterin vertreten. – Die Membranlipide sind amphiphil und bilden im wässrigen Milieu geschlossene bimolekulare Strukturen aus, die für polare Substanzen eine wirksame Barriere bedeuten. – Die Membranlipide wirken in erster Reihe als Isolatoren. Die Membranproteine haben jedoch als Pumpen, Kanäle, Rezeptoren und Enzyme auch spezifische Funkti-

6

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

onen. Sie sind dafür in die Lipiddoppelschichten, die für ihre Wirkung die adäquate Umgebung schaffen, mehr oder minder stark eingebettet. – Die Protein- und Lipidmoleküle der Membran werden durch nicht-kovalente Wechselwirkungen von kooperativem Charakter zusammengehalten. – Die beiden Seiten der biologischen Membran sind unterschiedlich. Diese Asymmetrie ist für die meisten Funktionen essentiell. – Die meisten Membranen sind elektrisch polarisiert. Das Membranpotential ist für Transportprozesse, Erregbarkeit und Energieumwandlung unabdingbar. – Biologische Membranen können als zweidimensionale Lösungen gerichteter Lipide und Proteine angesehen werden, in denen eine laterale Diffusion der Komponenten möglich ist. – Membranen sind selbstdichtend, wodurch es zur Verschmelzung von Membranen und zur Spaltung von membranumschlossenen Räumen kommen kann, ohne dass die Kontinuität der Begrenzung unterbrochen wird. – Membranen sind flexibel, wodurch Formveränderungen der umschlossenen Räume möglich sind. Die Funktionen, die die biologischen Membranen zu erfüllen haben, werden maßgeblich von der topologischen Anordnung ihrer Komponenten bestimmt. Es wurden daher mehrere funktionelle Modelle der biologischen Membran konzipiert. Die heutige Vorstellung von der biologischen Membran als einer „flüssig-kristallinen“ Lipiddoppelschicht, in der integrale Membranproteine lateral frei beweglich sind, basiert auf dem fluid mosaic model, das die amerikanischen Wissenschaftler Singer und Nicolson, vor allem aufgrund von Experimenten mittels Gefrierbruch- und Gefrierätz-Elektronenmikroskopie konzipiert haben. Abbildung 1 gibt dieses Modell in der von den Autoren

1.1

Das „fluid mosaic model“ der biologischen Membran Quelle: Singer, S.J., Nicolson,G.L. (1972) Science 175 S.723

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

7

1972 veröffentlichten Originalform wieder. Die dem Modell zugrundliegenden Vorstellungen erwiesen sich in den letzten drei Jahrzehnten als hervorragende Grundlage für die Erforschung der dynamischen Prozesse von biologischen Membranen. Struktur und Funktion der biologischen Membran werden vor allem durch die chemischen und physiokochemischen Eigenschaften ihrer Hauptkomponenten, der Lipide und der Proteine, bestimmt, weshalb diese im folgenden näher betrachtet werden sollen.

1.1.1.1

Die Lipidzusammensetzung der einzelnen Membrantypen ist in qualitativer und quantitativerer Hinsicht unterschiedlich

Die Grundstruktur jeder biologischen Membran wird durch eine Doppelschicht (Bilayer) amphipolarer Lipide gebildet. Das Mengenverhältnis von Lipiden zu Proteinen schwankt je nach Funktion einer bestimmten Membran in weiten Grenzen. In der Myelin-Membran der Schwann´schen Zellen, die die Axone der Nervenzellen als Isolatoren umgeben, beträgt der Lipidanteil etwa 80%, während die innere Membran der Mitochondrien, an der die Enzyme der Atmungskette lokalisiert sind, zu mehr als 75% aus Protein besteht, bei entsprechend niedrigem Lipidanteil. Die gleiche Lipid-Protein-Relation wie die innere Mitochondrienmembran weist übrigens auch die Plasmamembran von Bakterien auf. Bei der Plasmamembran der meisten tierischen Zellen machen die Lipide etwa 50% der Gesamtmasse aus. Bei der Lipidkomponente der biologischen Membran lassen sich drei Gruppen unterscheiden: die Phospholipide – mit dem höchsten Anteil -, die Glykolipide und das Cholesterin. Zentraler Baustein der Phospholipide ist bekanntlich ein Alkohol: Bei den Phosphoglyceriden (oder Glycerophospholipiden) ist dies der dreiwertige Alkohol Glycerin, bei den Sphingolipiden der Aminoalkohol Sphingosin. Im Falle der Phosphoglyceride sind zwei Hydroxylgruppen des Glycerins mit langkettigen Fettsäuren verestert, während die Hydroxylgruppe in der Position 3 mit Phosphorsäure besetzt wird, wodurch die Phosphatidsäure entsteht. Diese kann mit der Hydroxylgruppe eines Aminoalkohols – des Serins, des Ethanolamins oder des Cholins – oder mit der Hydroxylgruppe eines Zuckeralkohols – des myo-Inositols – verestert sein. Die in Abbildung 1.2 dargestellten Strukturen aus dem Phosphatrest und dem jeweiligen Aminoalkohol beziehungsweise Zuckeralkohol bilden den hydrophilen „Kopf“ der Phosphoglyceride, während die beiden Fettsäuren in Positionen R und R´ den hydrophoben „Schwanz“ darstellen. Ein weiteres Phosphoglycerid, das Cardiolipin (Diphosphatdylglycerin), ist in Abbildung 1.3 dargestellt. Das Cardiolipin ensteht durch Verbinden zweier Phosphatidylreste über ein drittes Glycerinmolekül. Es kommt fast ausschliesslich in der inneren Mitochondrienmembran vor. Bei den Sphingophospholipiden, die hauptsächlich im Gehirn und Nervengewebe vorkommen, hat das Sphingosin die Rolle des zentralen Alkohols. Wie Abbildung 1.4 A zeigt, ist das Sphingosin ein Aminoalkohol mit einer langen Kohlenwasserstoffkette. Wenn das Sphingosin mit einer Fettsäure amidartig verknüpft wird, entsteht ein Vorläufer der Sphingolipide, das Ceramid. Abbildung 1.4 B zeigt das wichtigste davon abgeleitete Sphingolipid, das Sphingomyelin, bei dem die primäre Hydroxylgruppe des Alkohols einen Phosphatrest sowie Cholin trägt.

8

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

´

1.2

„Kopfgruppen” der häufigsten Phosphoglyceride R und R’ = Fettsäure an Position 1 und Position 2 des Glycerins

Vom Sphingosin geht auch die Synthese der Glykolipide aus. Wie beim Ceramid, wird auch in diesem Fall die Aminogruppe des Sphingosins mit einer Fettsäure acyliert. An die primäre Hydroxylgruppe wird jedoch bei den Glykolipiden kein Phosphat angefügt, sondern ein Rest aus einem oder mehreren Zuckern. Die einfachsten GlykoliOH H2 C O O

P O

O

1.3

Struktur des Cardiolipins

H2C

H C

O

O

C

C

CH2

O

O

C H

CH2 O O

P

O

O H2C

O

H C

CH2

O

O

C

C

O

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

9

A.

B.

1.4

Sphingosin und Sphingomyelin

pide, die Cerebroside, tragen nur ein Glykosyl- oder Galactosylrest. Bei den komplexer aufgebauten Gangliosiden können bis zu sieben Zucker, auch in Form verzweigter Ketten angefügt sein. N-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure) ist eine charakteristische Komponente des Kohlenhydratanteils der Ganglioside. Die Zuckerreste der Glykolipide sind in der Plasmamembran stets nach der Zellaußenseite hin gerichtet. Die langkettigen Fettsäuren, die die hydrophoben „Schwänze“ der Phospholipide und Glykolipide bilden, enthalten meistens eine gerade Anzahl von C-Atomen, – zwischen 14 und 24. In Position 1 kommen am häufigsten die gesättigte Palmitinsäure (C16:0) und Stearinsäure (C18:0) vor, in Position 2 die ungesättigten Fettsäuren Ölsäure (C18:1), Linolsäure (C18:2), Linolensäure (C18:3) und Arachidonsäure (C20:4). Tabelle 1.1: Lipidzusammensetzung der Membranen einer Rattenleberzelle (in Gewichtsprozenten)

Plasmamembran Golgi-Komplex glattes endoplasmatisches Reticulum raues endoplasmatisches Reticulum Kernmembran Lysosomenmembran Mitochondrienmembran äußere innere

Chol PC

PE

PS

PI

CL

SM

30 8

18 43

11 15

9 4

4 6

0 0

14 10

10

48

21

0

7

2

12

6 10 14

55 55 25

16 20 13

3 3 0

8 7 7

0 0 5

3 3 24

3 5

45 40

24 20

1 2

6 13

4 18

3 2

Chol = Cholesterin; PC = Phosphatidylcholin; PE = Phosphatidylethanolamin; PS = Phosphatidylserin; PI = Phosphatidylinositol; CL = Cardiolipin; SM = Sphingomyelin

10

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Tabelle 1.2: Verteilung einiger Phospholipide an der Außen- und Innenseite der Erythrocyten-Membran (in Mol% der Gesamtlipide)

Phosphatidylcholin Phosphatidylethanolamin Phosphatidylserin Sphingomyelin

Gesamt

Außenseite

Innenseite

30 31 9 25

22 7 0 21

8 24 9 4

Zu den Membranlipiden wird – chemisch nicht korrekt – auch das Cholesterin gerechnet, ein Steroid von ebenfalls amphipolarem Charakter (Abschnitt 1.4.5 und 9.5.2). Den polaren „Kopf“ bildet eine Hydroxylgruppe des Cholesterins, während die Steroid-Ringstruktur die hydrophobe Komponente darstellt. Die Lipidzusammensetzung der biologischen Membran ist jeweils charakteristisch für Organismen unterschiedlicher Entwicklungsstufe, für verschiedene Spezies, Gewebe und Zellorganellen. Wie aus Tabelle 1.1 hervorgeht, sind die einzelnen Lipide in den verschiedenen Membrantypen unterschiedlich stark repräsentiert. Besonders auffallend ist, dass die innere Membran des Mitochondrions bei manchen Komponenten von den übrigen Membranen der Zelle abweicht. Tabelle 1.2 zeigt am Beispiel der Membran menschlicher Erythrocyten, dass die einzelnen Phospholipide auch an der Außen- und Innenseite einer Membran asymmetrisch verteilt sind

1.1.1.2

Die Membranproteine sind ein Spiegelbild der funktionellen Spezialisierung der einzelnen Membrantypen

Die Grundstruktur der biologischen Membran wird durch die Lipiddoppelschicht festgelegt. Zur Ausführung spezifischer Aufgaben dienen die Membranproteine. Die Vielfalt der Funktionen der einzelnen Membrantypen entsprechend weisen auch die Membranproteine eine starke, funktionsangepasste Variabilität auf. Wie bereits erwähnt, ist die quantitative Relation zwischen Lipid- und Proteinanteil ein Hinweis auf die Rolle der betreffenden Membran (Abschnitt 1.1.1.1). Die Membranproteine sind hinsichtlich ihrer Größe und räumlicher Struktur sehr unterschiedlich. Es gibt viele Hundert verschiedene Membranproteine, die man grob in zwei Klassen einteilen kann: Erstens die der Lipiddoppelschicht oberflächlich aufgelagerten, mehr oder weniger fest verankerten Proteine, die man periphere oder extrinsische Proteine nennt. Zweitens die mit der Lipidschicht fester verbundenen, in diese eindringenden oder sie vollständig durchspannenden Peptidketten, die man als integrale, intrinsische oder auch Transmembranproteine bezeichnet. In Abbildung 1.5 ist die Anordnung einiger funktionell unterschiedlicher Proteine in beziehungsweise an der Lipiddoppelschicht schematisch dargestellt. Zu den Transmembranproteinen gehören die Kanalproteine, die einen schnellen Durchfluss beispielsweise von Ionen ermöglichen (Abschnitt 1.1.3.3), die Transportproteine, wie die Na+/K+-ATPase (Abschnitt1.1.2.7) und eine große Anzahl von Rezeptorproteinen, die die Botschaft eines extrazellulären Signals in das Zellinnere übertragen. Unter den extrinsischen Membranproteinen gibt es eine Reihe von membranassoziierten Enzymen.

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

1.5

11

Anordnung der Membranproteine in der biologischen Membran a = integrales porenbildendes Protein; b = integrales Glykoprotein; c = teilweise in die Membran integriertes Protein; d = transmembranäres Transportprotein; SB = Substratbindungsstelle; e = aufgelagertes peripheres Protein

Eine Vielzahl von integralen Membranproteinen tragen komplexe vielgestaltige Kohlenhydrateinheiten, die bis zu 20% der Masse dieser Glykoproteine ausmachen können. Die Zucker werden entweder über O-glykosidische Bindung mit dem O-Atom der Seitenkette von Serin oder Threonin gebunden oder über N-glykosidische Bindung mit dem N-Atom von Asparaginresten (Abschnitt 1.2.3.1). Genau wie die Glykolipide sind auch die Glykoproteine charakteristische Moleküle der Plasmamembran der Zellen, während bei den im Zellinneren lokalisierten Membrantypen Glykoproteine selten vertreten sind. Die Kohlenhydratketten an der Plasmamembran sind stets nach außen orientiert, was auf ihre Rolle bei der interzellulären Kommunikation hinweist. Außerdem beeinflussen diese Kohlenhydrate die Proteinfaltung und möglicherweise die Stabilität der Proteine gegenüber den Proteasen. Die Transmembranproteine durchspannen die Lipiddoppelschicht ein-oder mehrfach. Die Peptidabschnitte, die sich in der Lipidschicht befinden, bestehen aus je etwa 21 bis 25 vorwiegend hydrophoben Aminosäuren, die mit den Membranlipiden interagieren und in der Regel eine rechtsgängige α-Helix mit 6 bis 12 Windungen bilden. Die einzelnen Transmembranhelices sind durch intrazelluläre und extrazelluläre Aminosäureschleifen miteinander verbunden, an denen sich meistens die funktionellen Domänen des Proteins befinden. Die extrazellulären Schleifen tragen häufig Glykosylreste. Üblicherweise ist das N-terminale Ende eines Transmembranproteins an der extrazellulären Seite der Membran, das C-terminale Ende intrazellulär. Abbildung 1.13 zeigt als Beispiel für ein Transmembranprotein die Struktur eines Glucosetransporters. Periphere Proteine, die an der Innenseite der Plasmamembran oder von Organellenmembranen lokalisiert sind, werden in der Membran durch kovalent gebundene Acyl- oder Prenylgruppen verankert. Als lipophile Anker, die im Verlauf der Synthese den peripheren oder assoziierten Proteinen angehängt werden, dienen Myristoyl- (C14), und Palmitoyl- (C16)-Reste sowie die Prenylreste Farnesyl- (C15) sowie Geranylgeranyl- (C20). Zur Verankerung eines peripheren Proteins an der Außenseite der Plasmamembran wird Glykosylphosphatidylinositol-Anker (GPI-Anker) eingesetzt. Abbildung 1.6 zeigt den komplizierten Aufbau des GPI-Ankers. Das carboxyterminale

12

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Phosphoethanolamineinheit Oligosaccharideinheit O Asp

O

C N CH2 CH2 O P O H O-

O GlycerinO P O- phosphateinheit O H2C CH CH2 O O C

O C O

(CH2)12 (CH2)12 CH3

1.6

Fettsäureeinheiten (Membrananker)

CH3

Der GPI-Anker Quelle: Doering,T.L. u.a. (1990) J.Biol.Chem. 265 S.611

Ende des Proteins ist mit dem Phosphoethanolamin des GPI verknüpft. Die beiden Fettsäureketten an der Glycerophosphateinheit dienen als Membrananker.

1.1.1.3

Die supramolekulare Organisation der biologischen Membran ergibt sich aus den physikochemischen Eigenschaften der Bausteine

Wie bereits ausgeführt, wird die Grundstruktur der biologischen Membran durch die Doppelschicht der amphipolaren Phospholipide gebildet, wobei die nicht-polaren „Fettsäureschwänze“ sich im Inneren des Bilayers gegenüberliegen, während die polaren „Kopfgruppen“ nach außen gerichtet sind. Die Ausbildung der Lipiddoppelschichten kommt spontan vor allem durch hydrophobe Kräfte zustande. Diese Selbstorganisation (self assembly) ist durch den amphipathischen Charakter der Phospholipide determiniert. Die Phospholipid-Bilayer sind kooperativ, das heißt, sie werden durch sich gegenseitig verstärkende, nicht-kovalente Wechselwirkungen zusammengehalten. Die enge Packung der Kohlenwasserstoffketten wird vor allem durch van-der-Waals-Anziehungskräfte begünstigt. Die polaren Köpfe werden durch elektrostatische Bindungen und Wasserstoffbrücken, die sie mit den Wassermolekülen der Umgebung ausbilden, stabilisiert. Die Phospholipide lagern sich im wässriger Umgebung zusammen, um die Zahl der Kohlenwasserstoffketten, die mit Wasser in Kontakt kommen, möglichst klein zu halten. Daraus ergibt sich unter anderem, dass sie einen Zusammenschluss mit sich selbst anstreben, was zur Bildung von Kompartimenten führt, und dass sie selbstreparierend sind, da Unterbrechungen mit freien Rändern in der Doppelschicht energetisch ungünstig sind. In der lebenden Zelle befinden sich die Membranen in einem „flüssig-kristallinen“ Zustand, das heißt, die Komponenten sind in permanenter Bewegung. Diese Bewegung kann mehr oder minder intensiv sein, wodurch der Grad der Fluidität der Membran variiert. Bestimmend hierfür sind die Lipidzusammensetzung und die Temperatur. Mit steigendem Anteil an ungesättigten Fettsäuren steigt die Fluidität, da die cis-Doppelbindungen ein „Abknicken“ der Fettsäureschwänze und damit eine Störung

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

13

der geordneten „Kristallstruktur“ der Membran verursachen. Der Gehalt an ungesättigten Fettsäuren in Membranlipiden lässt sich übrigens bis zu einem gewissen Umfang alimentär beeinflussen, ohne dass die biologische Bedeutung dieses Effektes klar wäre. Bestimmend für den Grad der Fluidität ist auch die Temperatur. Unterhalb der sogenannten Übergangstemperatur befinden sich die Phospholipidmoleküle in einem geordneten, relativ starren Zustand. Oberhalb dieser Temperatur gehen sie abrupt in einen relativ ungeordneten „flüssigen“ Zustand über. Die Übergangstemperatur hängt von der Länge der Fettsäureketten und ihrem Sättigungsgrad ab und ist für jede Membran charakteristisch. Bei den Eukaryoten gilt das Cholesterin als Hauptregulator der Membranfluidität. Das voluminöse und starre Steroidgerüst des Cholesterins, das in die Lipiddoppelschicht eingelagert ist, schränkt sterisch die Bewegungen der Fettsäureketten und damit die Membranfluidität ein. Die Lipidmoleküle führen innerhalb des Bilayers unterschiedliche Arten von Bewegungen aus. Man beobachtet eine recht intensive Lateraldiffusion einzelner Moleküle, die etwa 2 μm pro Sekunde betragen kann. Die Kohlenwasserstoffketten führen ständige Rotationsbewegungen um die C-C-Bindungen aus. Auch einige kleinere Proteinmoleküle bewegen sich lateral, andere scheinen unbeweglich zu sein. Die Phospholipidmoleküle können sich auch transversal bewegen, was zum Platztausch zwischen den beiden Lipidschichten führt. Diese transversale Diffusion (flipflop) ist allerdings ein seltenes Ereignis, der Wechsel eines Lipidmoleküls von der einen Seite des Bilayers zur anderen dauert mehrere Stunden. Der Seitenwechsel eines Proteins wird überhaupt nicht beobachtet. Dies wäre mit der funktionellen Asymmetrie der beiden Membranseiten auch nicht vereinbar. Membranen unterliegen, wie alle Zellbestandteile, einem ständigen turnover, wobei die Einzelkomponenten unterschiedliche Halbwertszeiten haben. Die meisten Membranproteine einer Rattenleberzelle sollen eine Halbwertszeit von zwei Tagen, die Lipide von nur einem Tag haben, während die Lebensdauer des Hepatocyten vier Tage beträgt. Eine de novo Synthese ganzer Zellmembranen wird als sehr unwahrscheinlich angenommen, vielmehr wird neu synthetisiertes Membranmaterial nur in bereits bestehende Membranen integriert (Abschnitt 1.2.2.2).

1.1.2 Die biologische Membran als Voraussetzung eines selektiven Stoffaustausches Membranen ermöglichen es, in bestimmten diskreten Räumen lebender Systeme ein konstantes inneres Milieu zu schaffen, mit Stoffkonzentrationen und physiologischen Parametern, die für den optimalen Ablauf der Stoffwechselvorgänge notwendig sind. Sie sorgen somit für die Homöostase der Zelle. Bei den Einzellern handelt es sich um eine Abgrenzung gegenüber dem Außenmedium, bei den Organen eines vielzelligen Organismus um die Abgrenzung der einzelnen Zelle gegenüber gleichen oder anders gearteten Nachbarzellen. Die auffälligste Funktion einer biologischen Membran ist also die einer isolierenden Barriere. Lebende Systeme sind jedoch auch auf einen ständigen Stoffaustausch mit ihrer Umgebung angewiesen. Um die Homöostase der Zelle zu garantieren, muss dieser Austausch ebenfalls den jeweils gegebenen Anforderungen angepasst werden. Die biologische Membran bietet durch ihre Selektivität die Möglichkeit der Regulation auf dieser Ebene.

14

1.1.2.1

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Die Plasmamembran hat vielseitige Aufgaben

Jede einzelne Zelle ist von einer Plasmamembran umgeben, die durch ihre selektive Permeabilität regulierend wirkt. Zunächst sollen die Leistungen dieses evolutionär ältesten Membrantyps betrachtet werden. Um das Grundsätzliche zu veranschaulichen, wird es notwendig sein, einige spezielle Beispiele des Nährstofftransports bereits an dieser Stelle zu besprechen. Weitere folgen bei der Behandlung des Stoffwechsels auf Organebene. Die Existenz der Plasmamembran verhindert, dass sich die Inhaltsstoffe der Zelle ungezielt mit dem extrazellulären Medium vermischen, was den Zusammenbruch des zellulären Stoffwechsels und damit den Zelltod bedeuten würde. Diese Barrierefunktion der Plasmamembran wird hauptsächlich durch die Lipiddoppelschicht ausgeübt, da die meisten Substanzen, die für den Austausch in Frage kommen, hydrophil sind.

1.1.2.2

Nur wenige Substanzen überwinden die Barriere der Lipiddoppelschicht durch einfache Diffusion

Trotz ihres hydrophoben Charakters ist die Lipiddoppelschicht auch für wasserlösliche Substanzen etwas durchlässig und theoretisch würde jedes Molekül seinem Konzentrationsgradienten folgend durch sie hindurchdiffundieren. Die Geschwindigkeit, mit der dieser Vorgang der einfachen Diffusion abläuft, ist allerdings stark unterschiedlich und hängt von der Molmasse sowie von der Lipophilie der betreffenden Substanz ab. Hydrophobe Moleküle (O2, N2, Benzol) diffundieren am schnellsten, gefolgt von kleinen ungeladenen polaren (H2O, Harnstoff, Glycerin, CO2) und großen ungeladenen polaren Molekülen (Glucose, Saccharose). Für anorganische Ionen (H+, Na+, K+, Ca2+,Mg2+, Cl– und so weiter) und geladene organische Moleküle (Lactat, β-Hydroxybutyrat, geladene Aminosäuren und andere) stellt die Lipiddoppelschicht eine schwer zu überwindende Diffusionsbarriere dar. Der Permeabilitätskoeffizient (cm × s–1) ist ein Maß für die Fähigkeit von Teilchen durch eine Lipiddoppelschicht zu diffundieren. Wie in Abbildung 1.7 dargestellt, unterscheidet sich dieser Koeffizient, der üblicherweise mit Hilfe von künstlich hergestellten Lipid-Bilayern ermittelt wird, bei den einzelnen Teilchenklassen um viele Größenordnungen. Die sehr schlechte Permeationsfähigkeit der kleinen Ionen ist neben ihrer Ladung auf ihre relativ große Hydratationshülle zurückzuführen. Die unerwartet gute Diffusionsfähigkeit des stark lipophoben Wassermoleküls resultiert daraus, dass dieses kleine Molekül infolge seines Dipolcharakters die Regionen des Bilayers mit den Kopfgruppen der Phospholipide besonders schnell durchqueren kann. Da sich fast alle Stoffwechselprozesse der Zelle in einem wässrigen Milieu abspielen und die Konzentration der Metaboliten von ausschlaggebender Bedeutung ist, ist die hohe Penetrationsfähigkeit des Wassers eine ebenso unentbehrliche Grundbedingung des Zellstoffwechsels wie der fast unbehinderte Sauerstoffaustausch. Bestimmte Membranen, beispielsweise die Erythrocytenmembran sowie die apikale und baso-laterale Membran der Epithelzellen des proximalen Nierentubulus weisen eine auffallend hohe osmotische Wasserpermeabilität auf (Abschnitt 12.2.2.2). Diese Eigenschaft wird auf die Existenz von spezifischen Wasserkanalproteinen in den Membranen zurückgeführt. Diese Transmembranproteine werden als Aquaporine bezeichnet. Sie sind selektiv für Wasser; weder Ionen noch sonstige Substanzen treten durch sie hindurch. Die Kanäle werden von polaren Aminosäureresten gebildet. Es wird ange-

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

1.7

15

Permeationsfähigkeit verschiedener Substanzen durch die biologische Membran Permeabilitätskoeffizienten (cm × s–1) bestimmt beim Durchtritt durch eine künstliche Lipiddoppelschicht

nommen, dass das Wasser als kontinuierliche Säule einem osmotischen Gradienten folgend durch sie hindurchströmt. Der Radius der Poren wird auf etwas über 1,5 × 10–1 nm geschätzt. (Radius des Wassermoleküls: 1,5 × 10–1 nm). 1.1.2.3

Spezifische Membranproteine sind Vermittler eines effektiven Stofftransports

Um auch Aufnahme und Abgabe von Stoffen zu ermöglichen, deren Penetrationsfähigkeit durch eine Lipiddoppelschicht sehr stark begrenzt ist, besitzt die Plasmamembran, ebenso wie die Membranen der Zellkompartimente, eine Reihe von Transportsystemen. Alle diese Transportsysteme erleichtern den Durchtritt von Substanzen im Sinne einer Katalyse. Diese Funktion wird von spezifischen Transmembranproteinen, die das Bilayer durchqueren, wahrgenommen. In Abbildung 1.8 sind die Transportsysteme von biologischen Membranen ihrer Funktionsweise nach in unterschiedliche Typen eingeteilt. Bei der einfachen Diffusion handelt es sich im Idealfall um einen rein physikalischen Vorgang, der zum Konzentrationsausgleich einer Substanz auf beiden Seiten der Membran führt. Der Substanzdurchtritt kann entweder durch die Lipiddoppelschicht oder durch wassergefüllte

16

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

erleichterte Diffusion

1.8

Transportsysteme von biologischen Membranen

Poren, die von Membranproteinen gebildet werden, erfolgen. Eine Wechselwirkung zwischen der diffundierenden Substanz und den Bestandteilen der biologischen Membran findet nicht statt. Treibende Kraft der Diffusionsbewegung ist der Konzentrationsunterschied einer Substanz an beiden Seiten der Membran. Daraus resultiert, dass der Durchtritt – abhängig von der Richtung des Konzentrationsgradienten – in beiden Richtungen erfolgen kann und der Nettoflux Null wird, sobald ein Konzentrationsausgleich erfolgt ist, obwohl die Bewegung der Partikel nie aufhört. Außer beziehungsweise neben dem Konzentrationsunterschied kann im Falle von geladenen Teilchen, die durch wassergefüllte Poren durchtreten, auch die ungleiche elektrische Ladung auf beiden Seiten der Membran die treibende Kraft für die Diffusionsbewegung sein. Auch in diesem Falle wird der Nettoflux mit Erreichen der Elektroneutralität Null. Neben der einfachen Diffusion gehört auch die erleichterte Diffusion zu den passiven Transportvorgängen, denn auch diese Art von Diffusion führt zu einem Konzentrationsausgleich auf beiden Seiten der Membran. „Erleichert“ wird die Diffusion von polaren und auch von geladenen Substanzen durch spezielle Membranproteine. Sie wirken im gewissen Sinne als Transportkatalysatoren, indem sie die für den Transport von polaren beziehungsweise geladenen Substanzen notwendige sehr hohe Aktivierungsenergie vermindern. Die transportierten Moleküle und Ionen sind „Substrate“ solcher Transportproteine. Im Gegensatz zur enzymatischen Katalyse werden die Substrate von einem Kompartiment in das andere geschleust, ohne sie chemisch zu verändern. In Analogie zu einer enzymkatalysierten Reaktion muss auch die zu transportierende Substanz an eine spezifische Bindungsstelle des Transportproteins gebunden werden. Manche Transportproteine haben ganz selektive Bindungsstellen und binden nur ein einziges Substrat. Andere sind weniger spezifisch und binden mehrere chemisch mehr oder weniger ähnliche Substrate, zu denen die Bindungsstelle meistens eine unterschiedlich hohe Affinität hat. Ein Maß für die Affinität der Bindungsstelle zu einem bestimmten Substrat ist der Kt-Wert, der der Michaelis-Konstante (Km) enzymatischer Reaktionen

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

17

analog ist und ebenfalls die Dimension einer Konzentration hat. Der Kt-Wert entspricht derjenigen Konzentration der zu transportierenden Substanz, bei der die halbmaximale Transportgeschwindigkeit erreicht wird.

1.1.2.4

Die Kinetik einer einfachen Diffusion unterscheidet sich grundsätzlich von der Kinetik der erleichterten Diffusion

Wie Abbildung 1.9 zeigt, erhält man bei Auftragen der Transportgeschwindigkeit gegen die Konzentration der transportierten Moleküle im Falle einer einfachen Diffusion eine Gerade. Die Transportgeschwindigkeit ist somit einzig und allein von der Konzentration des Substrates beziehungsweise vom Konzentrationsunterschied auf beiden Seiten der Membran abhängig.

1.9

Kinetik des Substrattransportes bei einfacher (A) und bei erleichterter Diffusion (B) Vmax = maximale Transportgeschwindigkeit; Kt = Transportkonstante

Dies gilt nicht für die Kinetik der erleichterten Diffusion. Beim Auftragen der Transportgeschwindigkeit gegen die Konzentration erhält man in diesem Fall eine Hyperbel in Analogie zu einer enzymatischen Reaktion, die der Michaelis-Menten-Kinetik folgt (Abschnitt 1.3.2.2). Diese „Sättigungskinetik“ kommt dadurch zustande, dass die Anzahl der Bindungsstellen am Transportprotein begrenzt ist. Für eine derartige Kinetik lässt sich neben dem Kt-Wert auch eine maximale Transportgeschwindigkeit als Vmax angeben. Die genaue Berechnung dieser Konstanten wird im Kapitel „Enzymatische Regulation“ besprochen.

1.1.2.5

Aktive Transportprozesse benötigen Stoffwechselenergie

Während die passiven Formen des Transports, die einfache und die erleicherte Diffusion, zum Konzentrationsausgleich einer Substanz auf beiden Seiten einer Membran

18

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

führen, bewirken primär aktive und sekundär aktive Transportprozesse eine Nettoakkumulation von Substrat auf einer der beiden Membranseiten. Das Schaffen eines Konzentrationsgradienten ist mit einer Abnahme von Entropie verbunden und bedarf daher eines Aufwandes an Energie, die in biologischen Systemen meistens durch Spaltung von ATP zur Verfügung gestellt wird. Bei dem primär aktiven Transport ist die Akkumulation des Stoffes in einem Kompartiment direkt an eine exergonische Reaktion, zum Beispiel an die Hydrolyse von ATP, gekoppelt. Bei einem sekundär aktiven Transport wird der Konzentrationsgradient eines Stoffes, der durch einen primär aktiven Prozess erzeugt wurde, abgebaut, um einen zweiten Stoff gegen seinen Konzentrationsgradienten, das heißt akkumulierend, zu transportieren. Als Beispiel für einen primär aktiven Transportvorgang soll die Funktion der Na+/K+ATPase besprochen werden. Der durch diesen Vorgang geschaffene Ionengradient wird unter anderem für den sekundär aktiven Transport von Glucose und Aminosäuren in die Dünndarmepithelzelle oder für die Aminosäureaufnahme in peripheren Körperzellen ausgenutzt. Den sekundär aktiven Transport soll die epitheliale Glucoseaufnahme als Beispiel veranschaulichen.

1.1.2.6

Die Na+/K+-ATPase ist ein lebenswichtiges Transportsystem in der Plasmamembran jeder tierischen Zelle

Primär ist die Na+/K+-ATPase für die Aufrechterhaltung der für die tierischen Zellen charakteristischen ungleichen Verteilung von Kalium und Natrium zwischen dem intrazellulären und dem extrazellulären Kompartiment verantwortlich. Das durchschnittliche Konzentrationsverhältnis des intrazellulären K+ zum extrazellulären K+ beträgt ca. 150 mmol × L–1 zu 4 mmol × L–1. Die intrazelluläre Na+-Konzentration ist andererseits mit ca. 10 bis 40 mmol × L–1 wesentlich niedriger als die extrazelluläre, die mit etwa 142 bis 144 mmol × L–1 beziffert wird. Die hohe intrazelluläre K+- beziehungsweise

1.10 Anordnung der Untereinheiten der Na+/K+-ATPase

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

19

niedrige Na+-Konzentration – und die inverse Verteilung der beiden Ionen im extrazellulären Raum – ist für den Zellstoffwechsel unverzichtbar. Aufrechterhalten wird dieses Ungleichgewicht durch die Na+/K+-ATPase, die mit Hilfe der Energie, die aus der Hydrolyse von einem ATP gewonnen wird, zwei K+-Ionen in die Zelle hineinschleust und drei Na+-Ionen aus der Zelle befördert. Wie alle ATP-asen benötigt auch die Na+/K+-ATPase Mg2+. Die Na+/K+-ATP-ase ist ein tetrameres Transmembranprotein aus je zwei α- und β- Untereinheiten, die in der Membran als α2β2-Tetramer vorliegen. Abbildung 1.10 zeigt deren Anordnung in der Plasmamembran. Die beiden je 112 kDA großen α-Untereinheiten befinden sich unmittelbar nebeneinander, je eine der 35 kDA großen β-Untereinheiten ist seitlich von ihnen angeordnet. Alle für die Transportfunktion wesentlichen Domänen werden den α-Untereinheiten zugeordnet. Die β-Untereinheit der Na+/K+-ATP-ase ist ein glykosyliertes Transmembranprotein mit einem Kohlenhydratanteil von ca. 20 %. Die genaue Funktion der β-Untereinheiten ist noch nicht bekannt. Die für den Na+- und K+-Austausch wesentliche α-Untereinheit ist kloniert und sequenziert worden. Sie besteht aus 1 021 Aminosäuren. Wie Abbildung 1.11 zeigt, durchqueren etwa zwei Drittel der Aminosäuren mit acht α-Helices die Phospholipiddoppelschicht. Zwischen diesen ragen mehrere Peptidschleifen in das Cytosol hinein. Die mittlere von diesen trägt in Form eines Lysylrestes die ATP-Bindungsstelle sowie einen Aspartylrest als reversible Phosphorylierungsstelle. In der Nähe des N-Terminus ist die Na+/K+-Bindungsstelle lokalisiert. Extrazellulärraum

Lipiddoppelschicht

1.11 Aufbau der α-Untereinheit der Na+/K+-ATPase Asp = reversible Phosphorylierungsstelle; Lys = ATP-Bindungsstelle

1.1.2.7

Bei der Na+/K+-ATPase sind die enzymkatalysierten Prozesse direkt an die Transportvorgänge gekoppelt

Nach dem aktuellen Modell des Wirkungsmechanismus ist die Na+/K+-ATPase ein Enzym – und gleichzeitig ein Transportprotein –, das zwischen mehreren Konformationszuständen hin- und herwechselt (Abbildung 1.12). In der Konformation I sind die αUntereinheiten nicht phosphoryliert; die zum Zellinneren gerichteten Na+-Bindungs-

20

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

1.12 Funktion der Na+/K+-ATPase. I bis VIII Konformationszustände während eines Zyklus

stellen sind hochaffin und binden drei Na+. Die Bindung des Na+ aktiviert die Hydrolyse des ATP, das an die ebenfalls zum Cytoplasma hin gerichtete ATP-Bindungsstelle der α-Untereinheit gebunden ist. Das freiwerdende ADP wird in das Cytoplasma abgegeben, während das Phosphat an einen Aspartylrest der α-Untereinheit gebunden wird (II). Diese Phosphorylierung induziert eine Konformationsänderung des Proteins: Die Na+-Ionen werden eingeschlossen, der Zustand relaxiert durch Umorientierung der Na+-Bindungsstellen zum extrazellulären Raum hin (III) und die Na+-Ionen werden nach außen abgegeben (IV). Gleichzeitig erhöht sich die Affinität der Bindungsstellen für K+, die jetzt nach außen hin orientiert sind. Trotz relativ niedrigerer K+-Ionenkonzentration im Extrazellulärraum werden zwei K+ an die Bindungsstellen angelagert (V). Die Bindung von K+ induziert eine intrinsische Phosphatase-Aktivität , wodurch das Phosphat hydrolytisch abgespalten wird (VI). Die Dephosphorylierung des Proteins ruft wiederum eine Konformationsänderung hervor: Die mit K+ besetzten Bindungsstellen orientieren sich zum Intrazellulärraum um (VII) und verlieren ihre Affinität zu den K+Ionen, die in das Zellinnere abgegeben werden (VIII). Damit ist die Ausgangskonfor-

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

21

mation mit hoher Affinität der Bindungsstellen für Na+, die nun wieder zum Zellinneren hin gerichtet sind, erreicht und der Kreisprozess kann von neuem beginnen. Beim Reaktionscyclus der Na+/K+-ATP-ase handelt es sich im Endeffekt um einen Wechsel der Affinität einer Ionenbindungsstelle, ausgelöst durch eine Na+-abhängige Phosphorylierung beziehungsweise K+-abhängige Dephosphorylierung der ATP-ase. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes gekoppeltes System, da das ATP nur dann hydrolysiert wird, wenn gleichzeitig Na+ und K+ für den Transport zur Verfügung stehen. Eine solche Kopplung ist typisch für energieumwandelnde biologische Systeme und dient der Vermeidung unrationeller ATP-Spaltung. Die Steroidglykoside Digitoxin und Ouabain hemmen die Na+/K+-ATPase und damit den Na+/K+-Austausch. Auf molekularer Ebene wirken diese Substanzen, indem sie nach Bindung an eine spezifische extrazelluläre Bindungsstelle die Dephosphorylierung des Enzyms hemmen und damit den Kreisprozess des Na+/K+-Austausches unterbrechen. Hierdurch erhöht sich die intrazelluläre Na+-Konzentration. Der experimentelle Einsatz der Steroidglykoside leistete einen wesentlichen Beitrag zur Klärung des molekularen Mechanismus der Funktion der Na+/K+-ATPase. In niedriger Dosierung haben diese sogenannten herzwirksamen Glykoside auch Eingang in die Therapie verschiedener Formen der Herzinsuffizienz gefunden. Ihre Wirkung auf die Herzmuskelzelle ist folgendermaßen zu erklären: Durch Hemmung der Na+/K+ATPase erhöht sich die intrazelluläre Na-Konzentration. Der flachere Na+-Gradient bewirkt einen verlangsamten Ca2+-Ausstrom über den in der Membran der Zelle lokalisierten Na+/Ca2+-Austauscher. Es kommt zu einer leichten Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration, wodurch die Kontraktionskraft der Herzmuskelzelle zunimmt.

1.1.2.8

Die Funktion der Na+/K+-ATPase ist Grundlage zahlreicher zellulärer Prozesse

Die ungleiche Verteilung von Na+ und K+ zwischen dem intra- und extrazellulären Kompartiment ist eine unabdingbare Grundlage der Zellfunktion. Der für die Aufrechterhaltung dieses Ungleichgewichtes verwendete Energiebetrag ist je nach Zelltyp unterschiedlich, aber mit 17 bis 50 % des Energieverbrauchs der ruhenden Zelle sehr hoch. Den höchsten Energiebedarf hat mit ca. 52 % das Gehirn, gefolgt von der Nierenrinde (40 %), der Leber (30 %) und dem ruhenden Muskel (17 %). Bei maximaler Geschwindigkeit befördert jedes Na+/K+-ATP-ase-Molekül 300 Na+ und 200 K+ pro Minute. Wie bereits ausgeführt, werden pro Durchgang des Kreisprozesses drei Na+-Ionen aus der Zelle und zwei K+.-Ionen in die Zelle befördert. Es ist unter anderem der Na+/K+ATPase zuzuschreiben, dass eine Ladungsdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite der Membran entsteht, die als Membranpotential bezeichnet wird. Sie beträgt je nach Zelltyp zwischen –50 und –70 mV, wobei innen ein negativer, außen ein positiver Ladungsüberschuss vorhanden ist. Die Na+/K+-ATPase ist also ein elektrogen arbeitendes – das heißt einen Nettoladungstransfer vermittelndes – primär aktives Transportsystem. Das Membranpotential ist Grundlage der Vermittlung von elektrischen Signalen. Das Ruhepotential der Nervenzellen, das eine entscheidende Voraussetzung dafür ist, dass die Neuronenmembran erregt werden kann, ist im wesentlichen durch die K+-Ionen bestimmt. Die Na+/K+-ATPase kommt in der Plasmamembran – und auch in der Kernmembran – fast aller tierischen Zellen vor. Abwesend ist sie lediglich in den nichtzellulären Geweben wie der Linse und dem Glaskörper des Auges. Grundlegende zelluläre Prozesse

22

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

sind auf die von diesem Transportsystem geschaffenen Ionengradienten angewiesen: die Osmoregulation der Zelle, die Rückresorption der Elektrolyte und des Wassers aus dem Primärharn durch die Tubuluszellen der Niere, die Sekretion von Speichel und Pankreassaft und andere. Der durch die Na+/K+-ATPase geschaffene transmembranäre Na+-Gradient, mit niedriger intrazellulärer Na+-Konzentration, wird insbesondere in den Epithelzellen von Darm und Nierentubulus zur sekundär aktiven Aufnahme von Substraten ausgenutzt. Diese Art von Transportvorgängen wird im Folgenden noch detailliert besprochen.

1.1.2.9

Es gibt verschiedene Klassen von Ionentransport-ATPasen

Die Na+/K+-ATPase ist eines der Transportproteine, die im Verlauf eines Kreisprozesses reversibel phosphoryliert wird, weshalb sie zur Klasse der P-ATPasen gerechnet wird. Charakteristisch für diese ist, dass sie durch Vanadat hemmbar sind. Wie Tabelle 1.3 zeigt, gibt es in der Plasmamembran – aber auch in anderen Membrantypen – der Zellen höherer Eukaryoten auch weitere primär aktive Transportproteine, deren Funktion auf ATP-Spaltung mit anschließender Phosphorylierung der Proteine beruht. Die in den Mucosa-Zellen des Magens vorkommende H+/K+-ATPase, ebenfalls eine P-ATPase, arbeitet nicht elektrogen; es wird ein H+ aus der Zelle und ein K+ in die Zelle transportiert. Die in das Magenlumen abgegebenen H+-Ionen dienen der Ansäuerung des Mageninhalts. Die Ca2+-ATPasen bestehen aus nur einer Polypeptidkette und transportieren pro gespaltenes ATP zwei Ca 2+. Ihre Affinität für Ca2+ ist sehr hoch, so dass der Transport auch bei niedriger cytoplasmatischer Ca2+-Konzentration sehr effektiv ist. Ihrer Lokalisation nach unterscheidet man zwei Klassen von Ca2+-ATPasen: Die ersten sind in der Plasmamembran lokalisiert und sorgen für die Aufrechterhaltung einer niedrigen intraTabelle 1.3: Klassen von Ionentransport-ATPasen beim höheren Eukaryoten Transportierte(s) Ion(en) P-ATPasen Na+/K+ H+/K+ Ca2+ Ca2+ V-ATPasen H+

F-ATPasen H+

Membrantyp

Rolle

Plasma-(Kern-)Membran

niedrige [Na+], hohe [K+] in der Zelle; Transmembranpotential Säureproduktion im Magen

Plasmamembran säuresezernierender Zellen Plasmamembran Sarkoplasmatisches Reticulum der Muskelzelle

niedrige [Ca2+] in der Zelle Kompartimentierung des Ca2+ in der Zelle

Membran von Lysosomen, endosomalen und sekretorischen Vesikeln

Ansäuerung von Kompartimenten

innere Mitochondrienmembran

ATP-Synthese in den Mitochondrien

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

23

zellulären Ca2+-Konzentration. Sie werden durch das intrazelluläre Ca2+-bindende Protein Calmodulin (Abschnitt 1.1.3.10) gesteuert. Die zweite Klasse der Ca2+-ATPasen, kommt in der Membran des sarkoplasmatischen Reticulums der Muskelzelle vor. Sie sorgen für die intrazelluläre Kompartimentierung der Ca2+-Ionen, eine Voraussetzung für das Funktionieren des kontraktilen Apparates dieser Zellen (Abschnitt 11.1.3). Die Bezeichnung V-ATPasen leitet sich von der Vakuole pflanzlicher Zellen ab, in deren Membran sie vorkommen. Bei den tierischen Zellen sind diese ebenfalls aus mehreren Untereinheiten bestehenden Transporter in der Membran von Lysosomen, Endosomen und sekretorischen Vesikeln integriert. Sie „pumpen“ H+-Ionen in das Innere dieser Vesikel gegen einen beträchtlichen, bis zu 100fachen Konzentrationsgradienten. Im Gegensatz zu den P-ATPasen werden die V-ATPasen nicht reversibel phosphoryliert und dephosphoryliert. Die Kopplung zwischen der ATP-Spaltung und dem Transport von Protonen ist nicht geklärt. Die F-ATPasen erhielten ihre Bezeichnung dadurch, dass sie als Kopplungs-Faktoren bei der ATP-Bildung identifiziert worden sind. Sie vermitteln den durch ATP-Hydrolyse getriebenen Durchtritt von Protonen durch die innere Mitochondrienmembran. Der Rückfluss der Protonen in Richtung des Gradienten wird zur Synthese von ATP aus ADP und Pi genutzt (Abschnitt 5.2.2.2). Die Erzeugung von Ionengradienten ist die am meisten verbreitete Aufgabe der Transport-ATPasen. Seit einigen Jahren wird jedoch auch über ATPasen intensiv geforscht, die lipophile Pharmaka und andere Xenobiotika gegen einen Konzentrationsgradienten aus Zellen transportieren. Zu diesen gehört das MDR-Protein (MDR = multi drug resistance) – auch p-Glykoprotein 170 genannt –, ein glykosyliertes Transmembranprotein, das unter anderem die Tumortherapie mit Cytostatika dadurch erschwert, dass es diese Pharmaka effektiv aus den Krebszellen hinausbefördert und damit den Wirkstoffspiegel unter die gewünschte Konzentration senkt. Die Energie für diesen „Bergauf“-Transport von Xenobiotika liefert ebenfalls die Hydrolyse von ATP.

1.1.2.10

Die durch die Transport-ATPasen geschaffenen Ionengradienten werden für den sekundär aktiven Transport genutzt

Die durch die Ionentransport-ATPasen geschaffenen Ionengradienten können als Triebkraft zum akkumulierenden Transport verschiedener Moleküle dienen. Dieser als sekundär aktiv bezeichnete Transportmodus soll anhand des Glucosetransportes in die Epithelzellen des Dünndarms besprochen werden. Das in die Bürstensaummembran der Dünndarmepithelzelle integrierte Transportsystem für Glucose ist vor mehr als zehn Jahren kloniert und exprimiert worden und erhielt die Bezeichnung SGLT 1. Das Transportprotein besteht aus 664 Aminosäuren und hat wahrscheinlich zwölf α-helikale Transmembrandomänen, die von je 21 hydrophoben Aminosäuren gebildet werden (Abbildung 1.13). Ein größerer N-glykosidisch gebundener Kohlenhydratrest befindet sich an einer zellauswärts gerichteten Schleife. Das SGLT 1 ist ein Na+-Glucose-Cotransporter, der ein Glucosemolekül in Begleitung von zwei Na+-Ionen in die Epithelzelle transportiert (Abbildung 1.14). Die Bindungsstellen für Na+ und Glucose befinden sich im Ausgangszustand des Prozesses nach außen, das heißt zum Darmlumen hin, gerichtet. In Abwesenheit von Na+ ist die Affinität der Bindungsstellen für Glucose außerordentlich niedrig (appKt > 10 mmol × L–1). Werden zwei Na+ an die Na+-Bindungsstellen angelagert, ändert sich die Konformation des Proteins und damit auch die Affinität der Glucose-Bindungsstelle zum Sub-

24

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

B

1.13

Modell der Sekundärstruktur des Glucosetransporters SGLT 1 in der intestinalen Bürstensaummembran

strat drastisch: Der appKt-Wert für Glucose beträgt nun < 0,5 mmol × L–1. Dies bedeutet, dass für eine physiologisch relevante Rate des Glucosetransports durch dieses Transportsystem die Anwesenheit von Na+ unabdingbar ist. Nach Binden von zwei Na+ wird ein Molekül Glucose an die entsprechenden Bindungsstellen angelagert. Dies ruft eine nochmalige Konformationsänderung des SGLT 1 hervor, bei der sich alle Bindungsstellen zum Zellinneren hin ausrichten. Als Folge der Tätigkeit der Na+/K+-ATPase, die bei den Epithelzellen an der baso-lateralen Membran lokalisiert ist, ist die intrazelluläre Na+-Konzentration sehr niedrig. Dies hat zur Folge,

Blutseite

Bürstensaummembran

1.14

Modell des Monosaccharidtransportes durch den Enterocyten des Dünndarms SGLT 1 = Na+/Glucose-Cotransporter an der Bürstensaummembran; GLUT 2 = Glucose/ Fructose-Transporter der baso-lateralen Membran; GLUT 5 = Fructose-Transporter an der Bürstensaummembran

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

25

dass die beiden Na+-Ionen von ihren Bindungsstellen am SGLT 1 abdiffundieren. Dadurch verändert sich die Affinität der Glucose-Bindungsstelle zum Substrat und der Zucker wird ebenfalls in die Epithelzelle abgegeben und zwar auch dann, wenn sich bereits relativ viel Glucose in der Zelle befindet. Als sekundär aktives Transportsystem arbeitet das SGLT 1 akkumulierend; die Glucosekonzentration in der Zelle kann bis zum Zehnfachen der Konzentration im extrazellulären Kompartiment erhöht werden. Treibende Kraft dieses Konzentrierungseffektes ist einzig und allein die niedrige intrazelluläre Na+-Konzentration, die das Ablösen des Na+ vom SGLT 1 ermöglicht. Die Hemmung der Na+/K+-ATPase bringt somit auch die Tätigkeit von SGLT 1 zum Erliegen. Das SGLT 1 ist nicht absolut spezifisch für den Transport von Glucose, sondern akzeptiert auch Galactose als Substrat. Wichtig für die Bindung an den Transporter sind der pyranoide Sechserring sowie die Hydroxylgruppen am C-1 und C-2. Ein analog funktionierendes Transportsystem, das SGLT 2, befindet sich in der Bürstensaummembran der Epithelzellen der Nierentubuli. Für beide Mitglieder der „SGLT-Familie“ ist charakteristisch, dass sie durch das Polyphenolglucosid Phlorrhizin hemmbar sind. Fructose wird durch das SGLT 1 nicht transportiert; sie gelangt durch erleichterte Diffusion mittels GLUT 5 in den Enterocyten. Die intrazellulär akkumulierte Glucose verlässt die Epithelzelle auf der Blutseite mittels eines anderen in der baso-lateralen Membran integrierten Glucose-Transporters, des GLUT 2. Dieser Glucose-Carrier ist nicht Na+-abhängig und arbeitet nach dem Prinzip einer erleichterten Diffusion, das heißt, er transportiert das Substrat in Richtung des Glucose-Gradienten aus der Zelle in die Blutbahn nur solange, wie die intrazelluläre Glucose-Konzentration höher ist als die extrazelluläre. Konsequenterweise kann über

Tabelle 1.4: Vorkommen und Substratspezifität der GLUT-Transporter* Vorkommen in menschlichen Geweben

Transportierte Zucker Glucose Galactose Mannose Fructose

Xylose GLUT 1 GLUT 2

GLUT 3 GLUT 4

GLUT 5

Erythrocyt Darm-Nieren-Epithel Hepatocyten β -Zellen des Pankreas alle Zellen braunes und weißes Fettgewebe Skelettmuskel Herzmuskel Jejunum (Niere, Skelettmuskel, Fettgewebe)

+

+

+

–

–

+ +

+ +

+ +

+ –

– +

+

n.b.

n.b.

n.b.

n.b.

–

n.b.

n.b.

+

n.b.

* exprimiert in Xenopus laevis Oocyten n.b. = nicht bestimmt; + = Tranport; – = keinTransport Quelle: Thorens, B. Facilitated Glucose Transporters in Epithelial Cells. In: Hoffmann, J. F.; DeWeer, P. (Hrgs.) Annual Review of Physiology. Palo Alto, CA. Bd. 55 (1993), 595 (modifiziert)

26

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

das GLUT 2 auch Glucose aus dem Blut in die Epithelzelle aufgenommen werden, wenn die intrazelluläre Glucosekonzentration niedriger ist als diejenige im Blut. Das GLUT 2 gehört ebenfalls zu einer ganzen Familie von Glucose-Carriern (GLUT 1 bis GLUT 5; numeriert in der Reihenfolge ihrer Entdeckung), die in der Plasmamembran verschiedener Zellen integriert sind und den Glucose-Transport – und/oder den Transport sonstiger Monosaccharide – nach dem Prinzip einer erleichterten Diffusion katalysieren. In Tabelle 1.4 ist das Vorkommen der einzelnen GLUT-Transportern in den menschlichen Geweben und ihre Substratspezifität aufgelistet. Die GLUT-Transporter, insbesondere GLUT 4, sind in peripheren Geweben für die unter Insulinwirkung stark erhöhte Glucoseaufnahme in die Zellen verantwortlich (Abschnitt 1.4.3.2).

1.1.2.11

Die Transportsysteme lassen sich in mehrere Typen einteilen

Wie in Abbildung 1.15 skizziert, gibt es unter den Carrier-Proteinen solche, die beim einzelnen Transportvorgang nur ein bestimmtes Substrat binden und transportieren. (Bei einem unspezifischen System kann es sich bei den einzelnen Transportvorgängen um jeweils andere Molekülarten handeln). Ein Beispiel für ein solches Uniport-System ist das GLUT 2, das die Glucose an der baso-lateralen Seite der Epithelzelle im Dünndarm und Nierentubulus aus der Zelle durch erleichterte Diffusion hinausbefördert. Das sekundär aktiv arbeitende SGLT 1 benötigt für den Ablauf des Transports zwei gleichzeitig gebundene Substrate, Na+ und Glucose, die nur zusammen transportiert werden. Hierbei handelt es sich um einen Symport. Beide Substrate werden in diesem Falle in treibende Kräfte

BEISPIELE GLUT 1-4

Substratgradient

Uniporter

elektroneutral

Glucoseaufnahme in periphere Gewebe

GLUT 5

elektroneutral

Fructoseaufnahme in Enterocyten

Substratgradient Ionengradient

Symporter

Antiporter

PepT 1, PepT 2

Substratgradient

rBAT

Ionengradient

ATP ADP + PI

Aminosäurenaufnahme in Epithelzellen

elektrogen oder elektroneutral

Aminosäurenaufnahme/-abgabe

elektrogen oder elektroneutral

NHE 1-3

elektroneutral

Na+/K+-ATPase

elektrogen

Na+/H+-Antiporter

Kationentransport

ATP-Hydrolyse

p-Glycoprotein 170 Fremdstofftransport

1.15

elektrogen

Glucoseaufnahme in Epithelzellen (Dünndarm, Nierentubulus)

elektrochemische Potentialdifferenz

elektrochemische Potentialdifferenz

Transport-ATPasen

SGLT 1, SGLT 2

Typisierung der Transportsysteme der biologischen Membran

elektroneutral

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

27

die gleiche Richtung, nämlich in die Zelle, befördert. Andere Transportproteine mit ebenfalls mehreren unterschiedlichen Bindungsstellen, zum Beispiel die Na+/K+-ATPase, fungieren als Antiport-Systeme: Die beiden Ionen, Na+ und K+, werden in jeweils entgegengesetzte Richtungen – bei ungleicher Stöchiometrie – transportiert. Weitere gut bekannte Beispiele für Antiporter oder Austauscher sind das Bande-3-Protein der Erythrocytenmembran, das ein Bicarbonat-Anion gegen ein ebenfalls einfach negativ geladenes Chlorid transportiert und der ubiquitär vorkommende Na+/H+-Austauscher, der extrazelluläre Na+-Ionen in einem 1:1-Verhältnis gegen intrazelluläre H+-Ionen austauscht. Die Co-Transporter, das heißt Symporter und Antiporter, können, wenn sie geladene Teilchen befördern, elektrische Ladungen ausgleichen, wie beispielsweise der HCO3–/Cl–-Transporter und der Na+/H+-Austauscher, oder aber Ladungen auf einer der beiden Seiten der Membran akkumulieren, wie dies bei der Na+/K+-ATPase und dem SGLT 1-Glucosetransporter der Fall ist, und damit elektrogen wirken.

1.1.3 Rezeptoren der biologischen Membran als Empfänger und Übermittler von Signalen In der Biochemie versteht man unter Rezeptoren im weitesten Sinne Proteine, die Signalsubstanzen spezifisch binden – beziehungsweise physikalische Reize, zum Beispiel Licht, empfangen – und das Signal an die Zelle weitergeben, wodurch eine koordinierte und mehr oder minder spezifische zelluläre Reaktion ausgelöst wird. Rezeptoren kommen sowohl intrazellär als auch an die Außenseite der Zellmembran gebunden vor. Die biologische Bedeutung der cytoplasmatischen Rezeptoren wird in Abschnitt 1.3.1.1 besprochen. Unter den Rezeptoren, die an die Außenseite der Plasmamembran gebunden vorkommen, den Membranrezeptoren, gibt es zwei Arten: erstens solche, die der Signaltransduktion dienen, zweitens solche, die eine Endocytose auslösen.

1.1.3.1

Die Rezeptoren der Signaltransduktion übermitteln einen spezifischen chemischen oder physikalischen Reiz an das Zellinnere

Die Signaltransduktion ist ein hochaktuelles Forschungsgebiet der Biochemie, das in den letzten zwei Jahrzehnten besondere Fortschritte erzielt hat. Die Signalrezeptoren sind Transmembranproteine mit einer meistens sehr großen glykosylierten extrazellulären Domäne, an der sich die Ligandenbindungsstelle befindet. Die Transmembrandomäne durchquert die Membran entweder mit einer α-Helix oder mit mehreren αHelices bestehend aus je etwa 25 vorwiegend hydrophoben Aminosäuren. An der intrazellulären Domäne, die unterschiedlich lang sein kann, spielt sich die eigentliche Übermittlung der Botschaft des Liganden ab. Die Interaktion zwischen Rezeptor und Ligand ist reversibel, hochspezifisch und führt zu einer Konformationsänderung des Rezeptors. Die Ligandenbindung ist durch eine hohe Affinität gekennzeichnet; Dissoziationskonstanten unter 10–9 mol × L–1 kommen häufig vor. Durch Bindung des Liganden wird in vielen Fällen eine mehrstufige Reaktionskette ausgelöst, die sich nach dem Kaskadenprinzip um mehrere Zehnerpotenzen verstärkt.

28

1.16

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Wirkungsweise membrangebundener Rezeptoren bei der Signaltransduktion Typ I-Rezeptor mit intrinsischer Enzymaktivität (im Beispiel: Kinase-Aktivität); Typ II-Rezeptor als ligandengesteuerter Ionenkanal; Typ III-Rezeptor mit G-Protein-vermittelter Signalübertragung; EZ = Extrazellulärraum; IZ = Intrazellulärraum; L = Ligand

Je nach Prinzip der Signalübermittlung lassen sich die Membranrezeptoren in drei Typen einteilen, deren molekularer Wirkungsmechanismus in Abbildung 1.16 stark schematisiert dargestellt ist.

1.1.3.2

Typ-I-Rezeptoren haben intrinsische Enzymaktivitäten, die durch die Bindung des Liganden angeregt werden

Der bekannteste Vertreter dieses Rezeptortyps ist der Insulinrezeptor, der zur Demonstration der Wirkungsweise dieser Rezeptoren dienen soll. Der Insulinrezeptor (siehe Abbildung 1.17) besitzt zwei identische α-Untereinheiten, die der Außenseite der Plasmamembran aufgelagert sind und je eine Insulinbindungsstelle aufweisen. Je zwei ebenfalls identische β-Untereinheiten durchdringen die Phospholipiddoppelschicht und tragen am cytoplasmatischen Ende der Peptidketten eine Tyrosinkinase-Domäne. Die Untereinheiten dieses heterotetrameren Glykoproteins sind durch Disulfid-Brücken untereinander verbunden. Die Bindung der Insulinmoleküle bewirkt – als Folge einer Konformationsveränderung der α-Untereinheiten, die sich den β-Untereinheiten mitteilt – das Auftreten einer Tyrosinkinase-Aktivität in den cytoplasmatischen Domänen der β-Untereinheiten. Bis zu sieben benachbarte Tyrosylreste der β-Untereinheiten werden im Zuge einer Autophosphorylierung phosphoryliert. Dies löst die Assoziation eines spezifischen Proteins, des Insulinrezeptor-Substrat-1 (IRS-1), mit dem Rezeptor aus, wobei bestimmte Tyrosylreste des IRS-1 phosphoryliert werden. An das phosphorylierte IRS-1 können verschiedene intrazelluläre Proteine andocken, wodurch die Signaltransduktion des Insulins – zum Teil in Form weiterer Phosphorylierungen, beispielsweise von Enzymen – intrazellulär weitergeleitet wird. Das Insulinsignal führt unter anderem zur Translokation von GLUT 4, zur Erhöhung der Aktivität der Phosphodiesterase und zu verschie-

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

α β

β

29

α β

β

IRS-1

1.17

Mechanismus der Signaltransduktion durch den Insulinrezeptor α = α-Untereinheit; β = β-Untereinheit; Tyr = Tyrosylrest; EZ = Extrazellulärraum; IZ = Intrazellulärraum; IRS-1 = Insulinrezeptor-Substrat-1

denen Änderungen der Genexpression, um nur einige wenige Effekte zu nennen (Abschnitt 1.4.3.2). Der Insulinrezeptor kann außer an Tyrosylresten auch an Seryl- und Threonylresten phosphoryliert werden. Dies geschieht wahrscheinlich durch eine cAMP-abhängige Proteinkinase. Hierdurch kommt es zu einem Abfall der Tyrosinkinase-Aktivität des Rezeptors und damit zu einer Herunterregulierung der Insulinwirkung. Man nimmt an, dass bei Patienten mit insulinresistentem Diabetes mellitus unter anderem eine Mutation in der Tyrosinkinase-Domäne des Insulinrezeptors vorhanden ist. Daher bindet zwar das körpereigene oder injizierte Insulin an den Rezeptor, das Signal wird jedoch nicht an die Zelle weitergeleitet. Zu den ligandenaktivierten Membranenzymen mit Tyrosinkinase-Aktivität gehören außer dem Insulinrezeptor auch die Rezeptoren für Wachstumsfaktorpeptide wie der Epidermis-Wachstumsfaktor (EGF = epidermal growth factor), oder der Blutplättchen-Wachstumsfaktor (PDGF = platelet-derived growth factor). Manche Vertreter der Typ-I-Rezeptoren haben eine cytoplasmatische Domäne mit tyrosinspezifischer Proteinphosphatase-Aktivität. In diesem Falle löst also die Ligandenbindung die Abspaltung von Phosphatgruppen, die an Tyrosylresten gebunden sind, aus.

30

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Ein weiteres Beispiel für Typ-I-Rezeptoren ist der Rezeptor für das atriale natriuretische Peptid (ANP). Wenn sich dieses Hormon an den Rezeptor bindet, kommt es zur Expression einer dem Rezeptorprotein innewohnenden Guanylatcylase-Aktivität. Es entsteht 3⬘,5⬘-cyclisches Guanosinmonophosphat (cGMP), das als second messenger wirkt. In diesem Falle produziert also die enzymatische Aktivität des Rezeptors selbst den für die Vermittlung der Hormonwirkung zuständigen second messenger (Abschnitt 1.1.3.7).

1.1.3.3

Zu den Typ-II-Rezeptoren gehören ligandengesteuerte Ionenkanäle

Der nicotinische* Acetylcholinrezeptor ist der am besten untersuchte Vertreter der ligandengesteuerten Ionenkanäle; er interagiert mit dem Neurotransmitter Acetylcholin. Der nicotinische Acetylcholinrezeptor ist ein Transmembranprotein mit fünf Untereinheiten (2α, β, γ, δ), die ringförmig zusammengelagert in die Membran eingefügt sind, und dadurch einen „Kanal“ durch die Membran bilden (Abbildung 1.18). Im Eingangsbereich des Kanals befinden sich geladene Aminosäurereste. Sobald das Acetylcholin an die Bindungsstellen des Rezeptors, die sich an den α-Untereinheiten befinden, bindet, erfolgt eine Konformationsänderung des Rezeptors, der Kanal „öffnet“ sich für kurze Zeit für Na+- (und K+-)Ionen. Das Acetylcholin wird in den präsynaptischen Neuronen synthetisiert und dann in sekretorischen Vesikeln gespeichert. Die Ausschüttung des Acetylcholins in den synaptischen Spalt geschieht durch Exocytose und wird durch Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration im präsynaptischen Neuron ausgelöst. Die Acetylcholinrezeptoren sind in dem Membranbezirk des postsynaptischen Neurons lokalisiert, der an den synaptischen Spalt angrenzt (Abbildung 1.19). A

B

β

δ α

α γ

= positiver AS-Rest = negativer AS-Rest

1.18

Der nicotinische Acetylcholin-Rezeptor A. Anordnung der Untereinheiten in der Membran; B. Struktur der α-Untereinheit; 1,2,3,4 = Transmembrandomänen

* Nicotin wird experimentell zur Charakterisierung von Rezeptortypen eingesetzt.

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

31

Axon des präsynaptischen Neurons

-

1.19

Übertragung eines elektrischen Signals zwischen zwei Neuronen mittels ligandenund spannungsgesteuerter Ionenkanäle (im Beispiel: Acetylcholin als Ligand)

Der Einstrom von Na+- (und Ca2+-)Ionen in das postsynaptische Neuron führt zu einer Depolarisierung der Membran dieser Zelle. Dies initiiert im postsynaptischen Neuron ein Aktionspotential, das sich entlang des Axons fortpflanzt. Für das Fortschreiten des Aktionspotentials sind mehrere Typen spannungsgesteuerter Ionenkanäle notwendig. Das schnelle Öffnen und Schließen dieser Ionenkanäle erfolgt als Reaktion auf Veränderungen des elektrischen Potentials der Membran. Die spannungsgesteuerten Na+-Kanäle, die auf der ganzen Länge des Axons angeordnet sind, sind geschlossen, solange die Membran polarisiert ist. Bei der Depolarisierung – beispielsweise als Folge der Bindung von Acetylcholin an seinen Rezeptor – öffnen sich die Na+-Kanäle für kurze Zeit. Solche spannungsgesteuerten Ionenkanäle sind somit nicht direkt, sondern nur indirekt von der Ligandenbindung an einen Rezeptor abhängig. Die ebenfalls spannungsgesteuerten Ca2+-Kanäle lassen in der Nähe der Acetylcholin-Speichervesikel Ca2+-Ionen in das präsynaptische Neuron einströmen, sobald die Depolarisationswelle sie erreicht. Dies wiederum führt die exocytotische Freisetzung des Acetylcholins in den synaptischen Spalt herbei. Somit beeinflussen sich die ligandengesteuerten und spannungsgesteuerten Ionenkanäle wechselseitig. Ligandengesteuerte Ionenkanäle kommen nicht nur in der Plasmamembran vor, sondern auch in den Membranen von Zellorganellen. Zur Gruppe der Typ-II-Rezeptoren gehören Na+-, K+-, Ca2+-, Cl–- und HCO3–-Kanäle. Charakteristisch für sie sind zahl-

32

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

reiche Isoformen, mit unterschiedlicher Ionenselektivität. Häufig haben die Rezeptoren dieses Typs Bindungsstellen auf beiden Seiten der Membran, so dass die Ionenkanäle auch durch intrazelluläre Liganden reguliert werden können. Tabelle 1.5 enthält einige Beispiele von Rezeptoren, die auf extrazelluläre beziehungsweise intrazelluläre Liganden ansprechen. Tabelle 1.5: Einige ligandengesteuerte Ionenkanäle Ligand

durchlässig für

extrazelluläre Aktivierung Acetylcholin (nicotinisch) γ-Aminobuttersäure Glycin Glutamat Serotonin ATP

Na+, K+, Ca2+ Cl–, HCO3– Cl–, HCO3– Na+, K+, (Ca2+) Na+, K+ Ca2+, Na+, Mg2+

intrazelluläre Aktivierung cGMP (Photorezeptoren) cAMP, cGMP (olfaktorische Rezeptoren) ATP

Na+, K+ Na+, K+ K+ (Schließen des Kanals)

1.1.3.4

Typ-III-Rezeptoren übertragen Signale mit Hilfe von G-Proteinen

Die bisher besprochenen Rezeptoren des Typs I und II übten die Signalübertragung auf direktem Wege aus: Ein Typ-I-Rezeptor erlangt beispielsweise eine Tyrosinkinase-Aktivität, indem er selbst phosphoryliert und damit befähigt wird, weitere Zielproteine zu phosphorylieren. Beim Typ-II-Rezeptor bewirkt die Ligandenbindung das Öffnen eines durch das Rezeptorprotein selbst gebildeten Ionenkanals. Die zum Typ-III gehörenden Signalträger erreichen die Transduktion auf indirektem Wege, indem sie unter Zwischenschaltung von G-Proteinen (Guanosinnucleotid bindende Proteine) second messenger erzeugen , die ihrerseits die Aktivität weiterer Proteine modifizieren. Die Wirkungsweise der Typ-III-Rezeptoren ist also sehr komplex, wurde jedoch durch Forschungsarbeiten der letzten Jahrzehnte in ihren Grundzügen geklärt. Die Typ-III-Rezeptoren sind Transmembranproteine, die die Lipiddoppelschicht mit sieben aus je 28 Aminosäuren bestehenden α-Helices durchspannen. Die Ligandenbindungsstelle des Rezeptors liegt an der Außenseite der Membran. Die cytoplasmatische Domäne des Rezeptors ist mit den G-Proteinen vergesellschaftet.

1.1.3.5

G-Proteine sind zwischengeschaltete Mediatoren der Signaltransduktion

Die rezeptorgekoppelten G-Proteine sind Heterotrimere aus drei unterschiedlich großen Untereinheiten: Die α-Untereinheit, die die GDP/GTP-Bindungsstelle trägt, ist je nach Typ (mehr als 20 unterschiedliche sind bekannt) 39–49 kDa, die β-Untereinheit 37 kDa, die γ-Untereinheit, die dem Rezeptorprotein unmittelbar angelagert ist, 8 kDa groß. Durch vielfältige Kombination der Untereinheiten kommt es zu verschiedenen

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

33

ä

ä g

1.20

Allgemeines Schema der von einem Typ III-Rezeptor ausgelösten Signalkette

Isotypen, die von unterschiedlichen Signalrezeptoren gebunden werden. Nicht zuletzt hierdurch ist es erklärbar, dass durch die Typ-III-Rezeptoren eine sehr große Anzahl verschiedener intrazellulärer Reaktionen vermittelt wird. Abbildung 1.20 zeigt, dass nicht nur sehr viele unterschiedliche Signale als first messenger der Typ-III-Rezeptoren in Frage kommen, sondern dass auch auf der Stufe der Effektorenzyme, der second messenger und der sekundären Effektorenzyme eine große Vielfalt gegeben ist. Je nach ihrer Funktion können die G-Proteine in stimulierende Gs, inhibitorische Gi und sonstige Go (von others abgeleitet) eingeteilt werden. Das Transducin (GT) ist ebenfalls ein G-Protein, das beim Sehvorgang in Verbindung mit Rhodopsin eine Rolle spielt.

1.1.3.6

Die Adenylat-Cyclase ist das bekannteste primäre Effektorsystem der Typ-III-Rezeptor-vermittelten Signalkette

Abbildung 1.21 stellt die G-Protein-vermittelte Ereigniskette dar, die beispielsweise durch die Hormone Adrenalin und Glucagon in der Leberzelle in Gang gesetzt wird. Als primäres Effektorsystem fungiert in diesem Falle das Enzym Adenylat-Cyclase, das als integrales Protein in der Nähe des Rezeptors ebenfalls an die Membran gebunden ist. Im Ausgangszustand (1) ist die Hormonbindungsstelle des Rezeptors nicht besetzt, der G-Protein-Komplex, bestehend aus den α-, β- und γ-Untereinheiten, befindet sich in der Nähe des Rezeptors und an der Bindungsstelle der α-Untereinheit befindet sich ein GDP. Die Bindung des Hormons (2) induziert eine Konformationsänderung des Rezeptors und damit auch des G-Proteins, das nun an den Rezeptor gebunden wird. Diese Wechselwirkung hat zur Folge, dass an der Bindungsstelle der α-Untereinheit das GDP

34

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

G-Protein-gekoppelter Rezeptor

Adenylat-Cyclase

ligandenkontrollierter Kanal

cA M

P

EZ

GTP α

GDP

IZ

β

α

ATP

1.21

cAMP

G-Protein-vermittelte Aktivierung der Adenylat-Cyclase EZ = Extrazellularraum; IZ = Intrazellularraum

durch GTP ersetzt wird, wobei gleichzeitig die β- und γ-Untereinheit als Dimer abdissoziieren. Die mit GTP besetzte und damit „aktivierte“ α-Untereinheit diffundiert an die Adenylat-Cyclase (3) und aktiviert diese zur Katalyse der Umwandlung von ATP in 3⬘,5⬘-cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP), das als second messenger die Botschaft des Signals weiterleitet. Die Rückführung des Ausgangszustandes erfolgt durch Hydrolyse – wahrscheinlich handelt es sich um eine Autohydrolyse – von GTP zu GDP an der α-Untereinheit des G-Proteins, wodurch dann die Aktivität der Adenylat-Cyclase abgeschaltet wird.

1.22

Struktur des cAMP und des cGMP

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

35

Das cAMP (Abbildung 1.22) war der erste second messenger, der als solcher identifiziert und dessen molekularer Wirkungsmechanismus geklärt wurde. Das cyclische Adenosinmonophosphat wirkt als allosterischer Effektor mehrerer Proteinkinasen vom Typ A. Die Proteinkinase A ist im inaktiven Zustand ein Tetramer, bestehend aus zwei katalytischen Untereinheiten und zwei regulatorischen Untereinheiten, deren Aufgabe es ist, die phosphorylierende Wirkung der katalytischen Untereinheiten zu blockieren (Abbildung 1.23). Die Bindung von je zwei cAMP-Molekülen an die regulatorischen Untereinheiten führt durch Konformationsänderung dazu, dass die katalytischen Untereinheiten aus dem Tetramer als aktive Kinasen freigesetzt werden und verschiedene Zellproteine phosphorylieren können. Meistens handelt es sich um die Phosphorylierung von Threonyl- und Serylresten interkonvertierbarer Enzyme (Abschnitt 1.3.2.6), deren Aktivität je nachdem, ob sie phosphoryliert oder dephosphoryliert sind, ab- beziehungsweise angeschaltet wird. Zahlreiche Prozesse des Zellstoffwechsels, die im weiteren Kapiteln näher besprochen werden, unterliegen der Regulation durch interkonvertierbare Enzyme und sind damit von der An- beziehungsweise Abwesenheit des second messengers cAMP abhängig. Die Steuerung des cAMP-Spiegels in der Zelle geschieht nicht allein auf der Stufe der Synthese, sondern auch auf der des Abbaus durch die Phosphodiesterase. Dieses Enzym, das durch methylierte Xanthine, wie Coffein und Theophyllin, gehemmt wird, überführt das cAMP hydrolytisch in das nicht-cyclische AMP. Wie bereits erwähnt, gibt es außer den stimulierenden Gs-Proteinen auch inhibierende G-Proteine, die die Adenylat-Cyclase hemmen, wodurch die cAMP-Konzentration in der Zelle sinkt. Beispielsweise ist der Rezeptor des Somatostatins über ein inhibierendes Gi-Protein an die Adenylat-Cylase gekoppelt. Dieses Hormon bewirkt also

KU = katalytische Untereinheit RU = regulatorische Untereinheit

1.23

Aktivierung der Proteinkinase A durch cAMP

36

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Tabelle 1.6: Einige extrazelluläre Signale, die über cAMP vermittelt werden a. durch Anstieg der [cAMP]

b. durch Abfall der [cAMP]

Glucagon Adrenalin (β 1 und β 2-Rezeptoren) Vasopressin (ADH) Thyreotropin-Releasing-Hormon Adrenocorticotropes Hormon Dopamin (D1-Rezeptor) Histamin (H2-Rezeptor) Serotonin

Adrenalin (α 2-Rezeptor) Somatostatin Bradykinin Dopamin (D2-Rezeptor)

ein Sinken des intrazellulären cAMP-Spiegels. Tabelle 1.6 gibt eine Übersicht über die Signale, deren Botschaft über das cAMP weitergeleitet wird, wobei es in manchen Fällen der Anstieg, in anderen Fällen der Abfall der intrazellulären cAMP-Konzentration auslösend wirkt.

1.1.3.7

Bei einigen Prozessen der Signaltransduktion ist das cyclische Nucleotid cGMP der second messenger

In die Kategorie der G-Protein gesteuerten Prozesse, an denen das cGMP (3⬘,5⬘-cyclische Guanosinmonophosphat) die Rolle des second messengers übernimmt, gehört die Hydrolyse von cGMP zu GMP durch das Enzym cGMP-Phosphodiesterase. Diese Umwandlung ist Teil der Photorezeption durch die Stäbchen der Netzhaut. Als Signal dient bei diesem Vorgang das Licht, als Rezeptor das Rhodopsin. Das spezielle G-Protein dieser Signalkette heißt Transducin (GT). Endglieder der Transduktionskette sind Na+- und Ca2+-Kanäle, deren Öffnungszustand von der Konzentration des second messengers cGMP abhängt. Analog zur Bildung von cAMP wird auch das 3⬘,5⬘-cyclische Guanosinmonophosphat von der membrangebundenen Guanylat-Cyclase aus GTP unter Abspaltung von Diphosphat gebildet (Abbildung 1.22). Die Aktivierung der Guanylat-Cyclase erfolgt durch Vermittlung eines Typ-I-Rezeptors, wenn dieser unter anderem den atrialen natriuretischen Faktor, ein Hormon, das von der Vorkammer des Herzens bei erhöhtem Blutvolumen ausgeschüttet wird, gebunden hat (Abschnitt 1.1.3.2). Von der Guanylat-Cyclase existieren mehrere Isoenzyme, von denen eines an die Bürstensaummembran des Darmepithels gebunden ist. Es wird von einem hitzestabilen Enterotoxin (STa-Toxin), das E. coli produziert, aktiviert. Die dadurch ausgelöste erhöhte cGMP-Konzentration in den Epithelzellen führt zu einer massiven Störung der Elektrolyt- und Wasserresorption und damit zu Durchfall. Ein weiteres Isoenzym der Guanylat-Cyclase ist nicht membrangebunden, sondern im Cytoplasma gelöst (sGC = soluble guanylat cyclase). Diese lösliche Form der Guanylat-Cyclase steht im Zusammenhang mit dem Stickstoffmonoxid, NO, das als neuartiger second messenger in den letzten Jahren viel Beachtung fand. Analog dem cAMP wirkt auch das cGMP als allosterischer Effektor mehrerer Proteinkinasen vom Typ G (Abbildung 1.22). Proteinkinasen G kommen besonders reichlich in der glatten Muskulatur und im Gehirn von Säugetieren vor. Die Polypeptidkette der Proteinkinasen des G-Typs hat eine regulatorische Domäne. Die katalytische

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

37

Domäne weist Sequenzen auf, die zu denen in der katalytischen Untereinheit der Proteinkinase A homolog sind. Es existiert auch eine Proteinkinase C, bei der durch Bindung von cGMP eine selbstinhibierende Domäne von der Substratbindungsstelle verdrängt wird, wodurch das Enzym aktiviert ist. Alle drei Proteinkinasen phosphorylieren Seryl- oder Threonylreste von Proteinen. Welches Protein von welchem der Enzyme phosphoryliert und damit moduliert wird, hängt von einer sogenannten „Consensus-Sequenz“ der Aminosäuren in der Nähe der Phosphorylierungsstelle ab.

1.1.3.8

Auch manche Ionenkanäle werden durch G-Proteine gesteuert

Wie in Abschnitt 1.1.3.3 besprochen, kann das Öffnen und Schließen von Ionenkanälen direkt erfolgen, nachdem sich ein Ligand an einen Typ-II-Rezeptor angelagert hat. Bei anderen Ionenkanälen dagegen wirkt die GTP-tragende α-Untereinheit von G-Proteinen als Zwischenglied der Signalkette. Es sind K+- und Ca2+-Kanäle bekannt, die nach diesem Prinzip gesteuert werden.

1.1.3.9

Die Entstehung von zwei second messenger aus Phosphatidylinositol wird ebenfalls durch G-Proteine vermittelt

Das membrangebundene Enzym Phospholipase C hydrolysiert das Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat, ein Bestandteil der Phospholipiddoppelschicht jeder Membran, zu den Spaltprodukten Inositol-1,4,5-trisphosphat (InsP3) und Diacylgycerol (DAG) (Abbildung 1.24). Die beiden Hydrolyseprodukte fungieren als second messenger einer Signaltransduktionskette, die durch Binden eines der first messenger, die in Tabelle 1.7 aufgelistet sind, an einen Typ-III-Rezeptor eingeleitet wird. Die hierdurch aktivierte αUntereinheit eines G-Proteins leitet das Signal an das Enzym weiter, das dadurch aktiviert wird. In diesem speziellen Falle sind die beiden second messenger also Abkömmlinge von Phospholipiden der biologischen Membran. Das hydrophile InsP3 diffundiert zum endoplasmatischen Reticulum und bewirkt dort die Öffnung von ligandengesteuerten

Tabelle 1.7: Einige extrazelluläre Signale, die über die PhosphatidylinositolSpaltprodukte vermittelt werden Acetylcholin (muscarinisch*) Angiotensin II Vasoaktives Intestinales Polypeptid (VIP) Cholecystokinin Bombesin Histamin (H1-Rezeptor) Adrenalin (α 1-Rezeptor) * Das Alkaloid Muscarin wird experimentell zur Charakterisierung von Rezeptortypen eingesetzt.

38

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

phosphoryliertes Protein

HO H PO

HO OP

H OP

H H

H

OH

H

Ca2+-Speicher des ER 1.24

G-Protein-vermittelte Aktivierung der Phospholipase C und die Effekte der entstandenen second messenger Inositoltrisphoshat und Diacylglycerol α = aktivierte α-Untereinheit des G-Protein-Komplexes; PIP2 = Phosphatidyl-Inositol-4,5-bisphosphat; DAG = Diacylglycerol; InsP3 = Inositol-1,4,5-trisphosphat; EP = endoplasmatisches Reticulum

Ca2+-Kanälen, wodurch das in diesen Strukturen gespeicherte Ca2+ ins Cytoplasma übertritt. Die Konzentration des Ca2+ im Cytoplasma erhöht sich hierdurch kurzfristig um mehr als das 100fache. Diese wiederum übt eine Reihe von Effekten aus, zu denen auch die Aktivierung der Proteinkinase C gehört. Das lipophile DAG verbleibt in der Membran und aktiviert die ebenfalls membrangebundene Proteinkinase C mit der Konsequenz, dass bestimmte weitere Zielproteine an Seryl- und Threonylresten phosphoryliert werden, wodurch sich deren katalytische Aktivität verändert. Es existieren verschiedene Isoenzyme der Proteinkinase C, die gewebsspezifisch exprimiert werden und gegenüber dem DAG unterschiedlich empfindlich sind.

1.1.3.10. Bei vielen Arten der Signaltransduktion ist Calcium das Endglied der Übertragungskette Das ionisierte Calcium ist bei fast allen der besprochenen Typen der Signaltransduktion als second beziehungsweise als third messenger beteiligt. Die geringe intrazelluläre Ca2+-Konzentration von weniger als 10–7 mol × L–1 wird, wie bereits erwähnt, von Ca2+Transportsystemen aufrechterhalten. Sie befördern das Ca2+ entweder in den Extrazellulärraum, wo die Konzentration etwa 1,5 × 10–6 mol × L–1 beträgt, oder in

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

1.25

39

Struktur des Calmodulins I bis IV Calciumbindungsstellen

intrazelluläre Calciumspeicher, wie die Mitochondrien und das endoplasmatische Reticulum. Das Öffnen der signalgesteuerten Ca2+-Kanäle in der Plasmamembran beziehungsweise in den Membranen der Calciumspeicherorganellen lässt die cytoplasmatische Ca2+-Konzentration schnell, aber nur vorübergehend, stark ansteigen. Dieses führt zu zellspezifischen Antworten: in den Muskelzellen werden Kontraktionen ausgelöst, in Nervenzellen wird die Abgabe von Neurotransmittern stimuliert, in Hormondrüsen die Exocytose von Peptidhormonen eingeleitet und vieles andere mehr. Die Wirkungen des Ca2+ werden in vielen Fällen durch das niedermolekulare (148 Aminosäuren), in tierischen Zellen ubiquitär vorkommende Protein Calmodulin vermittelt (Abbildung 1.25). An definierten Stellen der Aminosäurekette befinden sich vier hochaffine Ca2+-Bindungsstellen. Die Ca2+-bindenden Domänen sind durch α-helikale Ketten miteinander verbunden. Die Anlagerung des Ca2+ an die Bindungsstellen ruft eine Konformationsänderung des Calmodulins hervor, wodurch dieser Regulator mit anderen Proteinen in Wechselwirkung tritt. Handelt es sich um Enzyme, dann wird deren Aktivität verändert.

1.1.3.11. Eine spezielle Klasse von Membranrezeptoren vermittelt die Endocytose Manche Substanzen gelangen nicht mittels der bereits besprochenen Transportmechanismen aus dem Extrazellulärraum in die Zelle, sondern durch Endocytose. Dabei handelt es sich um einen Vorgang, bei dem sich die betreffende Substanz an einen spezifischen Rezeptor der Plasmamembran anlagert, woraufhin die Membran sich einstülpt und an der cytoplamatischen Seite sich ein von der Membran umschlossenes Vesikel, ein Endosom, das die Substanz enthält, ablöst (Abbildung 1.26). Bei der rezeptorvermittelten Endocytose spielt ein spezielles dimeres Protein, aus einer leichten und einer schweren Kette (Abbildung 1.26 A), das Clathrin, eine beson-

40

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

dere Rolle. Nach Bindung des Liganden an den Rezeptor erfolgt auf der cytoplasmatischen Seite die Anlagerung des Clathrins an die cytoplasmatische Domäne des integralen Rezeptors. An dieser Stelle dellt sich die Membran leicht ein. Nach dem elektronenmikroskopischen Erscheinungsbild werden diese Stellen als coated pits oder Stachelsaumgrübchen bezeichnet. Die Anlagerung des Clathrins ist das Signal zur Endocytose in Form von endocytotischen Vesikeln oder coated vesicles, an deren Oberfläche das Clathrin eine käfigartige Struktur bildet (Abbildung 1.26 B). Anschließend werden das Clathrin und die Rezeptoren in einem ATP-abhängigen Prozess durch ein konstitutives Hitzeschockprotein (hsp 70) abgelöst und der weiteren Verwendung zugeführt. Der internalisierte Ligand befindet sich nun in membranumhüllten lysosomalen Vesikeln, den Endosomen (Abbildung 1.26 C). Ein bekanntes Beispiel für eine derartige rezeptorvermittelte Endocytose ist die Aufnahme von LDL- (low density lipoprotein) Partikeln aus dem Blut. Zellen, die über LDL mit Cholesterin versorgt werden, enthalten an ihrer Oberfläche spezifische LDL-Rezeptoren. Das LDL und sein Rezeptor werden bei dieser Endocytose internalisiert. Das Endosom verschmilzt mit einem Lysosom, dessen Enzyme die Cholesterinester hydrolytisch spalten. Der LDL-Rezeptor wird nicht abgebaut, sondern nach Wiedereinfügen in die Membran erneut verwendet (Abschnitt 8.3.3 und 9.5.2.2). Die Aufnahme des Eisens in die Zellen erfolgt ebenfalls durch eine rezeptorvermittelte Endocytose. Als Ligand fungiert das Fe-beladene Ferritin. In diesem Falle wird nur das Eisen in das Endosom freigesetzt, während das Ferritin mit dem membrangebundenen Rezeptor zur Plasmamembran zurückkehrt, abdissoziiert und zur Bindung von weiterem extrazellulärem Eisen verfügbar ist. Rezeptor Clathrin schwere Kette

leichte Kette

Clathrin

Endosom

1.26

Rezeptorvermittelte Endocytose

Einen Sonderfall der endocytotischen Aufnahme von Substanzen stellt die Pinocytose dar, die nicht rezeptorvermittelt und damit unspezifisch ist. Bei der Pha-

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

41

gocytose handelt es sich um Internalisierung größerer Partikel durch spezielle Zellen, den Phagocyten, zu denen Monocyten, Gewebsmakrophagen und polymorphkernige neutrophile Granulocyten gerechnet werden. Die Phagocytose ist unter anderem integraler Bestandteil von Abwehrmechanismen. Das Auslösen der Phagocytose kann durch unspezifische Anlagerung von Partikeln erfolgen oder rezeptorvermittelt und damit spezifisch sein, wie dies bei vielen Prozessen der Immunabwehr der Fall ist.

1.2 Die Zellkompartimentierung Die Eukaryotenzellen unterscheiden sich von ihren evolutionären Vorläufern, den Prokaryotenzellen, schon bei lichtmikroskopischer Betrachtung dadurch, dass sie einen von einer Doppelmembran begrenzten Zellkern (griechisch: karyon) besitzen. Weitere auffallende Merkmale der Eukaryotenzellen, die allerdings erst im elektronenmikroskopischen Bild deutlich sichtbar werden, sind verschiedene andere membranumhüllte Organellen und Strukturen, die unter der Bezeichnung Zellkompartimente subsumiert werden. Die Notwendigkeit, den Innenraum der höher entwickelten Zelle zu unterteilen, ergab sich wahrscheinlich daraus, dass die intrazellulären, biochemischen Prozesse im Verlauf der Evolution kontinuierlich vielfältiger wurden. Parallel nahm die Anzahl der sie katalysierenden Enzyme und damit auch die Größe der einzelnen Zelle zu. Die linearen Abmessungen einer Prokaryotenzelle betragen 1 bis 10 μm, diejenigen einer höheren Eukaryotenzelle 10 bis 100 μm. Das Volumenverhältnis von Prokaryotenzelle zu Eukaryotenzelle berechnete man auf rund 1 : 2 000. Ausschlaggebend für die Größen – und damit Volumenzunahme – war vor allem die Anzahl der Proteinmoleküle. Im Cytoplasma einer E.coli-Zelle, als Beispiel eines heutigen Prokaryoten, befinden sich etwa 250 000 Proteinmoleküle, während eine durchschnittliche Säugerzelle rund 10 Milliarden solcher Moleküle enthält, die zu rund 10 000 verschiedenen Proteinarten gehören. Zahlreiche grundlegende zelluläre Prozesse spielen sich durch Vermittlung membrangebundener Proteine ab. Der bereits besprochene Ionentransport mit Hilfe der Transportproteine, die biologische Atmung, die durch eine Kette von Membranproteinen katalysiert wird, und die Synthese von Proteinen an membrangebundenen Ribosomen sind einige diesbezügliche Beispiele. Bei der Prokaryotenzelle reicht die Oberfläche der Plasmamembran aus, um den Enzym-, Transport- und sonstigen Proteinen an diesem einzigen Membrantyp Platz zu bieten. Für die Unterbringung des um mehrere Zehnerpotenzen größeren Proteinbestands der Eukaryotenzelle – darunter zahlreiche Membranproteine – hätte die Oberfläche der Plasmamembran auch dann nicht ausgereicht, wenn sie durch Mikrozottenbildung – wie dies von den Bürstensaummembranen von Epithelzellen bekannt ist – vergrößert worden wäre. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass im Verlauf der Evolution zur Vergrößerung der verfügbaren membranären Oberflächen ein Teil der Membranen in das Zellinnere verlagert wurde. Tabelle 1.8 veranschaulicht den dadurch erzielten Gewinn: Die Oberfläche der beiden Typen des endoplasmatischen Reticulums in Hepatocyten und Pankreaszellen ist rund 25- bzw. 12mal so groß wie die der Plasmamembran. Man geht davon aus, dass mit Ausnahme der inneren Membran des Mitochondrions alle intrazellulären Membrantypen Abkömmlinge der Plasmamembran sind. Sie folgen dem einheitlichen molekularen Bauprinzip aller biologischen Membranen, indem eine Doppelschicht amphipolarer Lipide ihre Grundstruktur bildet. Ihren differenzierten

42

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Tabelle 1.8: Relativer Anteil der verschiedenen Membrantypen in zwei Arten eukaryotischer Zellen Prozent der gesamten Zellmembran Membrantyp

Leberzelle (Hepatocyt)*

Exokrine Pankreaszelle*

Plasmamembran Membran des rauhen ER Membran des glatten ER Membran des Golgi-Apparats Mitochondrien Außenmembran Innenmembran Zellkern Innenmembran Membran der sekretorischen Vesikel Lysosomenmembran Peroxisomenmembran Endosomenmembran

2 35 16 7

5 60 20) werden jedoch in den Peroxisomen durch eine „alternative β-Oxidation“ bis zu Fettsäuren mit 8 C-Atomen verkürzt, die dann weiter im Mitochondrion abgebaut werden. Das im ersten, durch die Acyl-CoA-Oxidase katalysierten Schritt entstandene FADH2 steht, im Gegensatz zur mitochondrialen Fettsäureoxidation, nicht der Atmungskette zur Verfügung. Dieses FADH2 wird durch die Oxidase rückoxidiert, wobei Wasserstoffperoxid entsteht, das dann durch die Katalase abgebaut wird (Abschnitt 1.2.5.1). Die in den Peroxisomen ablaufenden Schritte des Fettsäureabbaus dienen somit nicht der Energiegewinnung. Die weiteren Schritte der β-Oxidation sind denen im mitochondrialen System analog. Neben dieser initialen β-Oxidation langkettiger Fettsäuren erfolgt in den Peroxisomen – ebenfalls durch β-Oxidation – auch die Verkürzung der Cholesterin-Seitenkette bei der Biosynthese der Gallensäuren (Abschnitt 9.5.3).

82

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

1.2.6 Das Mitochondrion Mitochondrien sind auch lichtmikroskopisch erkennbare Organellen, die in jeder Eukaryotenzelle vorkommen. Beinahe alle sauerstoffverbrauchenden Reaktionen der Zelle spielen sich in diesen „Energieumwandlern“ ab. Hinsichtlich ihrer Anzahl, Größe und Form sind die Mitochondrien der einzelnen Zelltypen recht unterschiedlich. Eine Rattenleberzelle beispielsweise enthält 1 000 bis 2 000 dieser Organellen, die 20 bis 25 % des Zellvolumens einnehmen; in manchen Oocyten gibt es mehr als 10 000 Mitochondrien. Die Anzahl richtet sich im allgemeinen nach dem Energiebedarf der Zelle. Die Dimensionen der Mitochondrien entsprechen in etwa denen von Bakterien: ihre Länge wird mit 2 bis 8 μm, ihre Breite mit 0,2 bis 1 μm angegeben, obgleich es auch kugelförmige Varianten gibt. Insgesamt weist die Form nicht nur Variabilität, sondern auch eine gewisse Plastizität auf. Je nach Funktionszustand der Zelle sind die Mitochondrien auch zu Ortswechsel befähigt und sammeln sich in der Nähe von Zellbezirken mit hohem ATP-Verbrauch an. Mitochondrien sind mit einer äußeren und einer inneren Membran ausgestattet, die hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer Funktion unterschiedlich sind. Die beiden Membranen sind durch einen Zwischenraum, den Intermembranraum, getrennt, der als eigenes Kompartiment aufgefasst werden kann (Abbildung 1.41). Die innere Membran ist die Begrenzung der mitochondrialen Matrix. Diese Membran weist zahlreiche Einstülpungen, Cristae genannt, auf, die ihre Oberfläche stark vergrößern. Die Ausbildung der Cristae variiert ebenfalls in Abhängigkeit vom Aktivitätszustand und damit dem aktuellen ATP-Bedarf der Zelle.

ä

1.41

1.2.6.1

Schema eines Mitochondrions

Mitochondrien sind Endosymbionten der Eukaryotenzelle

Nach der Endosymbionten-Hypothese sind die Mitochondrien aus aeroben Prokaryoten – wahrscheinlich Purpurbakterien – hervorgegangen. Die Integration dieser Aerobier in primitive Eukaryoten war eine Folge der Anreicherung von Sauerstoff in der Biosphäre vor rund 1,5 Milliarden von Jahren. Die Aufnahme der Aerobier brachte den Anaerobier-„Wirtszellen“ den evolutionären Vorteil einer vielfach höheren Energiegewinnung, da sie das System der oxidativen Phosphorylierung des Symbionten für sich nutzten. Die Mitochondrien haben als Relikt ihrer Abstammung ein dem Bakteriengenom ähnliches, ringförmig angeordnetes Genom konserviert, die mitochondriale DNA

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

83

(mtDNA). Sie können also als semiautonome Organellen aufgefasst werden, die zur Synthese von RNA und Protein befähigt sind. Die in der mtDNA codierte Information reicht allerdings nur für die Synthese von etwa 5 % der Proteine aus, die für die Existenz und Vermehrung der Mitochondrien notwendig sind. Der Rest der mitochondrialen Proteine wird im Kern codiert, an cytoplasmatischen Ribosomen synthetisiert und durch spezielle Mechanismen in die Mitochondrien importiert (Abschnitt 1.2.6.6; Exkurs 1.5). Es wird angenommen, dass während der frühen Evolution der Eukaryoten ein lebhafter Gentransfer von der Mitochondrien-DNA zur Kern-DNA stattgefunden hat. Das würde erklären, weshalb einige Gene des Kerns für mitochondriale Proteine codieren. Alle Mitochondrien enthalten mehrere Kopien der mtDNA, die auf getrennte Cluster in der mitochondrialen Matrix verteilt sind. Die mtDNA enthält, ebenso wie die bakterielle DNA, keine Histone. Die Größe des mitochondrialen Genoms der einzelnen Organismen weist beträchtliche Unterschiede auf. Die menschliche mtDNA, die sequenziert ist, enthält 16 569 Basenpaare, im Vergleich zu den 5,8 × 109 Basenpaaren der Kern-DNA. Bei einigen höheren Pflanzen ist die mtDNA mehr als hundertmal größer als bei den Säugetieren, ohne dass die Anzahl der codierten Proteine signifikant höher wäre. Sowohl die Zellteilung als auch der kontinuierliche Abbau gealterter Organellen macht es notwendig, Mitochondrien zu ersetzen. Sie werden jedoch niemals de novo geschaffen, sondern entstehen durch Teilung bereits vorhandener Mitochondrien. Dem Beginn der Teilung geht ein Wachstum voraus, das etwa zu einer Verdoppelung der Masse des Mitochondrions führt. Alle Mitochondrien menschlicher Zellen sind Abkömmlinge der Mitochondrien der Eizelle, da die Mitochondrien der Spermien bei der Befruchtung nicht in die Eizelle eindringen.

EXKURS 1.5 Die mitochondriale DNA und ihre Leistung Die Mitochondrien besitzen ein eigenes Genom in Form großer, ringförmig angeordneter DNA-Moleküle. Die mitochondriale DNA (mtDNA) ist im Matrixraum lokalisiert und stellenweise an die innere Membran des Mitochondrions angeheftet. Je nach Tierart sind in jedem Organell zwei bis zehn mtDNA-Moleküle, wobei mehrere von ihnen Aggregate bilden können, ohne mit Histonen assoziiert zu sein. In Säugerzellen entfällt nur etwa 1% des gesamten DNA-Bestandes auf die mtDNA. Das mitochondriale Genom hat nur eine begrenzte Codierungskapazität; die Mitochodrien sind also zu einem autonomen Eigenleben nicht befähigt. Der Informationsgehalt der mtDNA ist bei allen tierischen Organismen etwa gleich und scheint genauso stark konserviert zu sein wie die mitochondriale Struktur und das biochemische Potential der Mitochondrien Die mtDNA kann sich replizieren und die in ihr enthaltene Information kann durch Transkription und Translation in Proteine übersetzt werden. Es steht mit dem endosymbiontischen Ursprung der Mitochondrien im Einklang, dass mehrere Reaktionsschritte bei diesen Prozessen denen der Prokaryoten ähneln. Die beiden Stränge der mtDNA – der C-reiche L-Strang und der G-reiche HStrang – sind unterschiedlich dicht. Die Replikation der mtDNA weist Besonderheiten auf: Sie beginnt an einem etwa 500 Nucleotide umfassenden Bereich, in dem die mtDNA oft eine Drei-Strang-Struktur aufweist, da die beiden ursprünglichen Stränge der mtDNA durch ein kurzes DNA-Stück auseinander gedrängt werden.

䊳

84

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Dieses als D-loop (D von displacement abgeleitet) bezeichnetes kurzes DNA-Stück ist zum L-Strang komplementär. Nachdem der L- und der H-Strang repliziert worden sind, bildet eine spezifische Gyrase aus beiden eine superhelikale Struktur. Die Transkription findet an beiden Strängen der mtDNA statt und die Transkripte enthalten die komplette Sequenz je eines der Stränge. Die langen Transkripte werden noch während der Transkription durch Ribonucleasen in die einzelnen tRNA, rRNA und mRNA zerschnitten. Bei der Transkription der mtDNA entstehen mit nur 22 wesentlich weniger tRNAs als bei der Kern-DNA. Man nimmt an, dass die starke Reduktion der Anzahl der tRNA im Mitochondrion dadurch möglich ist, dass die mitochondrialen tRNA eine Struktur haben, die eine höhere Flexibilität der CodonAnticodon-Paarung erlaubt. Wie Tabelle 1 zeigt, weicht der mitochondriale Code vom Standardcode ab: In humanen Mitochondrien wird UGA als Codon für Tryptophan gelesen und nicht als Stopsignal; AGA und AGG, die im Standardcode Arginin codieren, sind im mitochondrialen Code Startsignale; weiterhin codiert AUA das Methionin, nicht wie im Standardcode das Isoleucin.

Tabelle 1: Besonderheiten des mitochondrialen Codes Codon

Standardcode

mitochondrialer Code

UGA UGG

Stop Trp

Trp Trp

AUA AUG

Ile Met

Met Met

AGA AGG

Arg Arg

Stop Stop

Sowohl im L-Strang als auch im H-Strang des mtDNA ist annähernd jedes der dicht aneinander gereihten Nucleotide Teil einer codierenden Sequenz. Regulatorische Sequenzen gibt es kaum, die cap-Sequenz am 5⬘-Ende ist ebenfalls nicht vorhanden. Die Ribosomen, an denen die mitochondriale Polypeptidsynthese stattfindet, sind vom prokaryotischen 70S-Typ. Die menschliche mtDNA enthält die Information für die 22 tRNA, für 2 rRNA und für 13 Proteine. Der größte Teil der proteincodierenden Kapazität der mtDNA wird zur Synthese von sieben Untereinheiten der NADH-Q-Reductase, einer Untereinheit der Cytochrom-Reductase und drei Untereinheiten der Cytochrom-Oxidase genutzt (Abschnitt 5.2.2.1). Durch die mitochondriale Synthese werden nur etwa 10% der Proteine geliefert, die das Mitochondrion für seine zahlreichen biochemischen Funktionen benötigt. Die restlichen 90% werden aus dem Cytosol importiert, wobei es sich um einen unidirektionalen Substratfluss handelt, da keines der mitochondrialen Syntheseprodukte exportiert wird.

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

1.2.6.2

85

Außen- und Innenmembran des Mitochondrions weisen signifikante Unterschiede auf

Wie bereits erwähnt, ist das Mitochondrion von zwei Membranen umgeben, wodurch zwei Reaktionsräume mit völlig unterschiedlichen Funktionen entstehen: der Intermembranraum und der Matrixraum. Die funktionelle Verschiedenheit dieser beiden Räume kommt nicht zuletzt durch die Eigenschaften der beiden Membranen zustande. Das Protein-Lipid-Verhältnis in der äußeren Membran beträgt circa 1,1 : 1. Diese Membran erinnert an die Außenhülle Gram-negativer Bakterien. Sie enthält außerdem relativ viel Cholesterin. Charakteristisch für die Außenmembran des Mitochondrions ist, dass zahlreiche Kopien eines Kanalproteins, des Porins, in sie integriert sind. Die Poren derartiger kanalbildender Proteine sind relativ groß und im Gegensatz zu den selektiven Ionenkanälen wenig spezifisch. Für Moleküle kleiner als 10 kDa sind die wassergefüllten Poren durchlässig. Dadurch ist die Zusammensetzung des Intermembranraumes und des cytosolischen Raumes hinsichtlich kleinerer Moleküle beinahe identisch. Dennoch sind im Intermembranraum einige spezifische Reaktionsvorgänge lokalisiert. Hier spielt sich unter anderem die Aktivierung langkettiger Fettsäuren ab, zunächst mittels Coenzym A, der dann die Übertragung auf Carnitin folgt. Das Enzym, dass die Transferreaktion katalysiert, die Carnitin-O-Palmitoyl-Transferase, ist an die äußere Oberfläche der inneren Membran gebunden und ragt mit dem katalytischen Zentrum in den Intermembranraum (Abschnitt 10.2.3.1). Dieser Raum enthält auch mehrere Enzyme, die den Phosphatrest vom ATP, das aus dem Matrixraum abgegeben wird, auf andere Nucleotide übertragen. In der inneren Mitochondrienmembran ist das Protein-Lipid-Verhältnis 3,2 : 1. Der sehr hohe Proteinanteil ist auf die zahlreichen Enzymproteine und ebenfalls sehr viele Transportproteine zurückzuführen, die integrale Bestandteile dieser Membran sind. Neben dem insgesamt geringen Phospholipidanteil und dem fast völligen Fehlen von Cholesterin ist für diese Membran ein spezifisches Phospholipid, das Cardiolipin (Diphosphatidylglycerin) charakteristisch (Abbildung 1.3). Das Vorkommen dieses typischen Phospholipids der Bakterienmembran in den Mitochondrien war der erste Hinweis auf den Endosymbionten-Charakter dieser Organellen. Es wird angenommen, dass das reichliche Vorkommen von Cardiolipin dafür verantwortlich ist, dass die innere Membran des Mitochondrions für Ionen besonders undurchlässig ist. Die innere Membran stellt die eigentliche Permeationsbarriere des Mitochondrions dar. Für alle Moleküle, mit Ausnahme von O2, CO2 und H2O, ist diese Membran impermeabel. Die hohe Stoffwechselaktivität des Organells erfordert allerdings einen intensiven Stoffaustausch mit der Umgebung, die durch zahlreiche Transportproteine vermittelt wird. Die innere Mitochondrienmembran ist in viel höherem Maße als sonstige biologische Membranen nicht nur die Begrenzung eines Kompartiments, sondern selbst ein Funktionsraum. Sie ist der Ort für vektorielle Reaktionsketten, die der Umwandlung und Konservierung biologischer Energie dienen. Unerlässlich für die Erfüllung dieser Aufgabe ist die hochgradige Impermeabilität dieser Membran, die nur durch hochspezialisierte, meist asymmetrisch arbeitende Transportsysteme überwunden werden kann.

86

1.2.6.3

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Beim oxidativen Stoffwechsel der Mitochondrien sind mehrere Prozesse aneinander gekoppelt

Die wichtigste energiereiche Verbindung des Zellstoffwechsels ist bekanntlich das Adenosintriphosphat (ATP). Der weitaus größte Teil des ATP, das die Zelle zur Energieversorgung ihrer zahlreichen Leistungen benötigt, wird durch die Mitochondrien zur Verfügung gestellt, weshalb diese Organellen häufig als „Kraftwerke der Zelle“ apostrophiert werden. Die mitochondriale ATP-Synthese ist das Endglied mehrerer aneinander gekoppelter Stoffwechselketten, die in ihrer Gesamtheit den oxidativen Stoffwechsel der Mitochondrien ausmachen (Abschnitt 5.2). Prinzipiell können alle Verbindungen, die Reduktionsäquivalente liefern, oxidativ verstoffwechselt werden. Beim Menschen werden für diesen Zweck vor allem die Hauptnährstoffe, das heißt Kohlenhydrate, Fette und Aminosäuren, eingesetzt. Die Fettsäuren und das Pyruvat, das als Endprodukt der Glykolyse im Cytosol entsteht, sind die quantitativ überwiegenden Verbindungen, die selektiv in die mitochondriale Matrix transportiert werden und dort als Substrate der „biologischen Atmung“ dienen. Fettsäuren und Pyruvat werden intramitochondrial in „aktivierte Essigsäure“, das heißt in Acetyl-CoA, umgewandelt. Im Falle der Fettsäuren geschieht dies in der β-Oxidation (Abschnitt 10.2.3.2), im Falle des Pyruvats durch die Pyruvat-DehydrogenaseReaktion (Abschnitt 9.3.4). Das bei diesen – und bei einigen quantitativ weniger bedeutenden – Reaktionsfolgen entstandene Acetyl-CoA wird im Tricabonsäurecyclus zu CO2 oxidiert, wobei NADH und FADH2 entstehen. Obwohl der Tricarbonsäurecyclus Teil des aeroben Metabolismus ist, macht keine seiner Reaktionen unmittelbar Gebrauch von molekularem Sauerstoff. Die energiereichen Elektronen werden in diesem Cyclus in Form von NADH und FADH2 gebunden. Diese reduzierten Coenzyme sind dann Substrate der Elektronentransportkette – auch Atmungskette genannt –, in der die Elektronen mit molekularem Sauerstoff zu Wasser vereinigt werden. Dies ist eine stark exergone Reaktion, deren freiwerdende Energie dazu benutzt wird, Protonen von der Matrixseite der inneren mitochondrialen Membran in den Intermembranraum zu pumpen. Dadurch wird ein elektrochemischer Protonengradient über die innere Membran aufgebaut, der eine protonenmotorische Kraft darstellt. Diese Kraft resultiert aus dem Membranpotential und dem Protonen-Konzentrationsgradienten. Protonenspezifische Kanäle der ATP-Synthase ermöglichen den Wiedereintritt der im Intermembranraum aufgestauten Protonen in den Matrixraum. Die protonenmotorische Kraft, die die Protonen zurücktreibt, liefert die Energie zur Synthese von ATP aus ADP und Pi. Wegen der energetischen Kopplung an die Atmungskette wird dieser Prozess auch Atmungsketten-Phosphorylierung oder oxidative Phosphorylierung genannt. Abbildung 1.42 veranschaulicht schematisch diese vereinfacht beschriebenen Prozesse des oxidativen Stoffwechsels in den Mitochondrien, die in Abschnitt 5.2.2 detailliert besprochen werden. Wie erwähnt, stammt das Acetyl-CoA, das vom Tricarbonsäurecyclus als Substrat verwendet wird, fast ausschließlich aus der β-Oxidation der Fettsäuren und aus der dehydrierenden Decarboxylierung des Pyruvats. Sowohl die Enzyme der β-Oxidation als auch der Multienzymkomplex der Pyruvat-Dehydrogenase befinden sich in der mitochondrialen Matrix. Das Acetyl-CoA kann somit im Tricabonsäurecyclus, dessen Enzyme ebenfalls im Matrixraum lokalisiert sind, direkt verwertet werden, ohne dass Transportvermittler notwendig wären.

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

87

ä

ä ä

1.42

Schema der intramitochondrialen Kopplung zwischen Tricarbonsäurecyclus und ATP-Synthese

Die Reduktionsäquivalente, die sowohl in der β-Oxidation als auch im Tricabonsäurecyclus als NADH bzw. FADH2 produziert werden, stehen ebenfalls ohne Wechsel des Kompartimentes für die Elektronentransportkette zur Verfügung. Alle Enzyme und sonstige Proteine dieser Kette – mit Ausnahme des Cytochrom C – sowie die ATPSynthase sind integrale Bestandteile der inneren Mitochondrienmembran. Die enge räumliche Nachbarschaft dieser aneinander gekoppelten metabolischen Ketten ist zweifelsohne von erheblichem Vorteil, da Transportvorgänge über die impermeable Innenmembran fast immer mit Energieverbrauch verbunden sind.

1.2.6.4

Die miteinander vernetzten Prozesse des oxidativen Stoffwechsels bedürfen einer koordinierten Regulation

Der oxidative Stoffwechsel ist für die Lebensfähigkeit der Zelle von zentraler Bedeutung, was eine feinregulierte Kontrolle seines Ablaufs unerlässlich erscheinen lässt. Das Kontrollsystem funktioniert hauptsächlich nach dem Prinzip einer Selbstregulation, bei der die Verfügbarkeit von ADP den steuernden Faktor darstellt. Bei hohem ATPVerbrauch entsteht viel ADP als Spaltprodukt. Dies ermöglicht eine Erhöhung der ATPSynthese, zu deren Energetisierung der Protonenrückfluss in die Matrix beschleunigt wird. Der abfallende Protonengradient steigert wiederum die Geschwindigkeit des Elektronentransports und als Konsequenz die Nachlieferung der reduzierenden Äqui-

88

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

valente durch den Tricarbonsäurecyclus. Es existiert ein fein abgestimmtes, ineinandergreifendes System von Rückkopplungsmechanismen, das schließlich auch die weiteren vorgeschalteten Prozesse, wie Fettsäureabbau und Glykolyse, einbezieht. Die oxidative Phosphorylierung bedeutet eine erhebliche Verbesserung der Energieausbeute gegenüber dem anaeroben Abbau von Substraten. Tabelle 1.11 enthält einen Vergleich der ATP-Ausbeute bei vollständiger Oxidation eines Glucosemoleküls und beim glykolytischen Abbau bis zur Stufe des Pyruvats. Die anaerobe Verstoffwechselung der Glucose liefert im Cytoplasma lediglich 2 Mol ATP pro Mol Substrat, die in der Pyruvat-Kinase-Reaktion (Abschnitt 9.3.1) entstehen. Die darüberhinaus gewonnenen Energieäquivalente von 34 (oder 36) Mol ATP entstehen durch die intramitochondrialen Prozesse. Tabelle 1.11: ATP-Ausbeute bei vollständiger Oxidation von Glucose Biochemischer Prozess

Produkt

Anzahl der gewonnen ATP-Moleküle

Glykolyse

2 NADH (Cytosol) 2 ATP 2 NADH (Mito.-Matrix)

4 2 6

6 NADH (Mito.-Matrix) 2 FADH2 2 ATP (bzw. 2 GTP)

18 4 2

Pyruvat-Oxidation (Pyruvat-DH-Reakt.) 2mal/Glucose Acetyl-CoA-Oxidation (Tricarbonsäurecyclus) 2mal/Glucose Gesamtausbeute pro Molekül Glucose

bzw 6*

36 bzw 38*

* abhängig vom Austauscher-System, das für den NADH-Transfer in die Matrix benutzt wurde (Abschnitt 1.2.6.6)

Die oxidative Phosphorylierung gilt als Höhepunkt der Entwicklung aller energieliefernden Prozesse bei aeroben Organismen. Die Aufrechterhaltung der komplexen Strukturen sowie die aufwendigen Biosynthese- und Transportprozesse der Eukaryotenzelle sind auf Energiebeiträge angewiesen, die nur auf aerobem Wege, durch die mitochondriale ATP-Synthese, zu gewinnen sind.

1.2.6.5

Im Mitochondrion finden auch weitere Reaktionen statt, die nicht direkt zur Prozessfolge des oxidativen Stoffwechsels gehören

In Tabelle 1.12 sind die wichtigsten mitochondrialen Stoffwechselprozesse zusammengefaßt, die sich ganz oder teilweise in diesem Organell abspielen. Die ATP-Synthese und die ihr direkt zugeordneten metabolischen Vorgänge – β-Oxidation, Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion und Elektronentransport – sind zweifelsohne die auch quantitativ bedeutendsten Leistungen des Mitochondrions. Sie sind allerdings nicht die einzigen, die sich im Verlauf der Evolution mit ihrer enzymatischen Ausstattung dort angesiedelt haben. Das in der β-Oxidation entstandene Acetyl-CoA wird nicht allein im Tricarbonsäurecyclus verwertet, sondern ist bei überreichlichem Fettsäureangebot auch Substrat der Ketonkörper-Synthese, die eine spezifische Leistung der Hepatocyten ist (Abschnitt

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

89

Tabelle 1.12: In Mitochondrien lokalisierte Reaktionsketten (Auswahl) Metabolischer Prozess

Produkte

ganz/ teilweise intramitoch.

mitoch. Organe Subkompartiment

Transkription/Translation der mtDNA

kleine u. große rRNA/tRNA f. 22 Aminosäuren/ 13 Polypeptide Acetyl-CoA/ FADH2/NADH Acetyl-CoA/ CO2/NADH

ganz

Matrix

ubiquitär

ganz

Matrix

ubiquitär

ganz

Matrix

ubiquitär

NADH/ FADH2/CO2 Elektronentransportkette Ionengradient

ganz

Matrix

ubiquitär

ganz

ubiquitär

ATP-Synthese

ATP

ganz

Ketonkörper-Synthese Ketonkörper-Abbau

Acetoacetat Acetyl-CoA

ganz ganz

innere Membran innere Membran Matrix Matrix

Gluconeogenese

Oxalacetat (Malat)

Harnstoffcyclus

Citrullin

teilweise, 2 Initialschritte teilweise, 2 Initialschritte

β -Oxidation der Fettsäuren Dehydrierende Decarboxylierung des Pyruvats (Pyruvat-Dehydrog.) Tricarbonsäurecyclus

Matrix

Matrix

ubiquitär Leber extrahepatisch Leber/ Niere Leber

9.5.1). Das Produkt dieser Synthese, das Acetoacetat, wird ausschließlich außerhalb der Leber verwertet, durch Enzyme, die ebenfalls intramitochondrial lokalisiert sind. Das beim Abbau von Acetoacetat entstehende Acetyl-CoA ist somit im Mitochondrion, das heißt an Ort und Stelle, für Zwecke der Energiegewinnung verfügbar. Dies ist sinnvoll, da Acetyl-CoA selbst die Barriere der inneren Membran des Mitochondrions nicht überwinden kann. Dennoch ist es notwendig auch den cytosolischen Raum mit Acetyl-CoA, das in nennenswerten Mengen ausschließlich im Mitochondrion entsteht, zu versorgen. Das Acetyl-CoA wird im Cytosol als primäres Substrat sowohl für die Fettsäuresynthese (Abschnitt 10.2.1) als auch für die Cholesterinsynthese (Abschnitt 9.6) benötigt. Um die Versorgung dieser beiden Biosynthesen mit Acetyl-CoA zu gewährleisten, ist ein Umweg notwendig: das Citrat, das durch die katalytische Aktion der Citratsynthase aus Acetyl-CoA und Oxalacetat entsteht, wird dem Tricarbonsäurecyclus entzogen, über ein spezifisches Transportprotein in das Cytosol geschleust und dort durch einen energieverbrauchenden Prozess in Oxalacetat und Acetyl-CoA gespalten (Abschnitt 10.2.1). Die räumliche Trennung des Fettsäureabbaus und der Fettsäuresynthese hat trotz des energiebeanspruchenden Transfers von Acetyl-CoA den Vorteil, dass Abbau und Auf-

90

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

bau der Fettsäuren unabhängig voneinander reguliert werden können und so einer unsinnigen Recyclisierung des Acetyl-CoA vorgebeugt wird. Die Gluconeogenese, an sich eine cytosolische Stoffwechselleistung, beginnt mit zwei enzymatischen Initialschritten in der mitochondrialen Matrix. Diese räumliche Trennung der Gluconeogenese ist darauf zurückzuführen, dass die Glucosesynthese aus Pyruvat durch einfache Umkehrung der Glykolyse energetisch nicht möglich ist, sondern ein Umweg unter Einbeziehung von Oxalacetat gewählt wird (Abschnitt 9.3.3). Die Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat ist ebenfalls ein intramitochondrialer Vorgang. Erst das Ausschleusen des Oxalacetats in der reduzierten Form, das heißt als Malat, aus dem Mitochondrion ermöglicht die weiteren Schritte in Richtung Gluconeogenese (Abschnitt 9.3.3). Auch die beiden Initialschritte einer weiteren wichtigen hepatischen Leistung, der Harnstoffsynthese, sind intramitochondrial lokalisiert. Die in Tabelle 1.12 aufgelisteten Reaktionen sind nur einige wichtige Beispiele; Teile der Hämsynthese, die Bildung von Steroidhormonen aus Cholesterin, verschiedene Schritte des Aminosäurestoffwechsels und viele andere mehr spielen sich ebenfalls im mitochondrialen Kompartiment ab.

1.2.6.6

Verschiedene Transportsysteme ermöglichen den Stoffaustausch über die innere Membran des Mitochondrions

Die im Mitochondrion lokalisierten biochemischen Reaktionen müssen selbstverständlich mit Substraten und Cofaktoren versorgt werden. Ebenso müssen der Hauptteil der Syntheseprodukte sowie die dort nicht weiter verwendbaren Metaboliten den mitochondrialen Raum verlassen. Die bereits betonte ausgeprägte Impermeabilität der inneren Membran lässt katalysierte Transportprozesse unerlässlich erscheinen. Tatsächlich beruht der Proteinreichtum der inneren Membran – neben den in ihr integrierten Enzymen – auf dem Vorhandensein zahlreicher Transportproteine. Die Elektronenübertragung im Mitochondrion dient primär der Bereitstellung von Energie für die ATP-Synthese. Gleichzeitig muss jedoch ein relativ hoher Betrag dieser Energie für den Betrieb der Transportprozesse aufgewendet werden, die wiederum die direkten und indirekten Substrate, für die aneinandergekoppelten Reaktionsketten des oxidativen Stoffwechsels, in das Mitochondrion befördern. Die Transportvorgänge durch die innere Membran sind auf Carrier angewiesen, die fast ausschließlich als Antiporter und Symporter arbeiten und von Protonengradienten und/oder vom Membranpotential angetrieben werden. Eines der Transportsysteme ist der Adenosinnucleotid-Translokator, dessen Funktion in Abbildung 1.43 dargestellt ist. Dieses integrale Transmembranprotein der inneren Membran ist ein Antiporter. Von der Matrixseite der Membran wird ein vierfach negativ geladenes ATP4– an die Außenseite der inneren Membran geschafft, was durch die dort herrschende hohe H+-Konzentration begünstigt wird. Im Austausch gegen das ATP4– wird ein dreifach negativ geladenes ADP3– auf die Matrixseite transportiert. Der Austausch von ATP4– gegen ADP3– bewirkt einen Netto-Ausstrom von negativer Ladung. Die Synthese von ATP aus ADP ist zusätzlich auf Einfuhr von Phosphat angewiesen, ein Transportvorgang, der durch den Phosphat-Translokator, der als Symporter funktioniert, katalysiert wird. Dieser Transporter ist für H2PO4– spezifisch und der Übertritt des Phosphats zur Matrixseite erfolgt zusammen mit H+. Der Import von H+ in Rich-

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

1.43

91

An die ATP-Synthese gekoppelte Transportsysteme der inneren Membran des Mitochondrions

tung Matrixraum wird durch die dort herrschende niedrige Protonenkonzentration gefördert. Bei diesem Transportvorgang gibt es keine Netto-Ladungsverschiebung. Die protonenmotorische Kraft energetisiert somit sowohl die ATP-Synthese durch die ATP-Synthase als auch den Transport der Substrate ADP und Pi in Richtung Matrixraum, genauso wie den Transport des Produkts, das heißt des ATP, nach außen, in Richtung Cytosol. Der Hauptanteil des NADH, das der Elektronentransportkette als Substrat dient, entsteht intramitochondrial durch die β-Oxidation der Fettsäuren, im Tricarbonsäurecyclus und durch die Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion. Es gibt allerdings auch mehrere cytosolische Reaktionen, zum Beispiel in der Glykolyse, die NADH liefern. Damit es im Cytosol zu keiner Anhäufung von NADH und damit zu einem Mangel an NAD kommt, müssen die Reduktionsäquivalente für die Atmungskette intramitochondrial zur Verfügung gestellt werden. NADH kann jedoch weder durch die innere Membran des Mitochondrions penetrieren, noch existieren dort Transportsysteme für die Nicotinadeninnucleotide, die in der Zelle streng kompartimentiert sind. Diese Schwierigkeit wird durch zwei Austauscher*-Systeme gelöst: den in Leber, Niere und Herz vorkommenden Malat-Aspartat-Austauscher und den α-Glycerophosphat-Austauscher, der im Skelettmuskel und wahrscheinlich auch im Gehirn vorkommt. Die Funktionsweise der beiden Austauscher-Systeme ist in Abbildung 1.44 A und B dargestellt. Beim quantitativ bedeutenderen Malat-Aspartat-Austauscher werden die * auch Shuttle-Systeme genannt

92

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

A

IMM = innere mitochondriale Membran MDHc = Malat-Dehydrogenase, cytosolisch MDHm = Malat-Dehydrogenase, mitochondrial ASAT = Glutamat-Oxalacetat-Transaminase M-K-Carrier = Malat-Ketoglutarat-Carrier A-G-Carrier = Aspartat-Glutamat-Carrier

B

ÄMM = äußere mitochondriale Membran IMM = innere mitochondriale Membran GPDHc = Glycerophosphat-Dehydrogenase (cytosolisch) GPDHm = Glycerophosphat-Dehydrogenase (mitochondrial) DHAP = Dihydroxyacetonphosphat α-GP = α-Glycerophosphat Qox = Ubichinon (oxidiert) Qred = Ubichinon (reduziert) 1.44

Austauscher-Systeme zur Übertragung von Reduktionsäquivalenten aus dem Cytosol in die mitochondriale Matrix A. Malat-Aspartat-Austauscher; B. α-Glycerophosphat-Austauscher

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

93

Reduktionsäquivalente vom cytosolisch produzierten NADH durch die MalatDehydrogenase auf Oxalacetat übertragen. Das entstandene Malat kann die innere mitochondriale Membran durch Vermittlung eines Malat-α-Ketoglutarat-Austauschers ohne weiteres überwinden. Im Matrixraum ist die mitochondriale Isoform der MalatDehydrogenase vorhanden, die in Umkehrung der cytosolischen Reaktion das Malat zu Oxalacetat dehydriert und den Wasserstoff auf NAD überträgt. Damit stehen die Reduktionsäquivalente als NADH dem Elektronentransportsystem zur Verfügung, und wenn das Elektronenpaar an O2 weitergeben wird, werden drei Moleküle ATP erzeugt. Das System muss noch regeneriert werden. Das Oxalacetat kann den Matrixraum nicht ohne weiteres verlassen, da die innere Membran keinen Carrier für diese Ketodicarbonsäure hat. Für das Ausschleusen des Kohlenstoffskeletts von Oxalacetat ist ein Umweg erforderlich, der über die mitochondriale Isoform der Glutamat-OxalacetatTransaminase führt. Für die weiteren Reaktionspartner dieser Transaminierung – Glutamat, Aspartat, α-Ketoglutarat – besitzt die Membran entsprechende Carrier, die in beide Richtungen transportieren. Im Cytosol existiert ebenfalls eine Isoform der Glutamat-Oxalacetat-Transaminase, die wie alle Transaminasen, reversibel katalysiert. Die NH2-Gruppe des Aspartats wird auf α-Ketoglutarat übertragen. Das Oxalacetat ist somit regeneriert und steht für einen neuen Cyclus des Austauschers zur Verfügung. Der α-Glycerophosphat-Austauscher ist weniger kompliziert und ist nur auf ein Enzympaar angewiesen, auf die cytosolische beziehungsweise mitochondriale Isoform der α-Glycerophosphat-Dehydrogenase. Auf der cytosolischen Seite überträgt das Enzym die Reduktionsäquivalente von NADH auf Dihydroxyacetonphosphat. Das entstandene α-Glycerophosphat wird von der mitochondrialen Form der α-Glycerophosphat-Dehydrogenase dehydriert, wobei die Reduktionsäquivalente auf FAD übertragen werden. Die mitochondriale Isoform der α-Glycerophosphat-Dehydrogenase ist in die innere Membran des Mitochondrions integriert und leitet den Wasserstoff direkt in die Atmungskette, an Komplex III, weiter (Abschnitt 5.2.2.1). In der Bilanz werden in diesem Falle nur zwei Moleküle ATP gewonnen, dafür müssen die Substrate nicht über die innere Membran transportiert werden. Voraussetzung für das Funktionieren derartiger Austauscher-Systeme ist das Vorhandensein von Substratpaaren, die reversibel hydriert beziehungsweise dehydriert werden können, sowie die Existenz entsprechender Dehydrogenasen in den beiden Kompartimenten. Der erwähnte Malat-α-Ketoglutarat-Austauscher ist nur eines der Anionen-Antiportsysteme. Citrat tritt durch einen Tricarboxylat-Carrier ins Cytosol über, wo sein Spaltprodukt , das Acetyl CoA, Substrat der Fettsäuresynthese ist. Für den Import von Pyruvat in den Matrixraum ist ein H+-getriebener Pyruvat/H+-Symporter verantwortlich. Ein geregelter Ca2+-Influx in das Mitochondrion ist aus zwei Gründen von Bedeutung: Erstens spielt Ca2+ bei vielen enzymatischen Prozessen im Mitochondrion eine regulatorische Funktion, zweitens wird bei Erhöhung der Ca2+-Konzentration im Cytosol über ein bestimmtes Niveau das überschüssige Ca2+ in das Mitochondrion „entsorgt“. Der Eintritt des Ca2+ in den Matrixraum wird über einen spezifischen Carrier mit niedriger Affinität und hoher Kapazität, der vom elektrochemischen Gradienten getrieben wird, vermittelt. Der spezielle Fall des durch Carnitin vermittelten Eintritts langkettiger Fettsäuren in den Matrixraum wurde bereits besprochen (Abschnitt 1.2.6.2).

94

1.2.6.7

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Für den Import von Proteinen aus dem Cytosol in das Mitochondrion existieren spezifische Transportsysteme

Es ist evident, dass die vielfältigen biochemischen Reaktionen, die sich im Mitochondrion teils an der inneren Membran, teils im Matrixraum abspielen, nicht nur der Versorgung mit Substraten bedürfen, sondern dass auch ein entsprechender Apparat mit Dutzenden von Enzym- und sonstigen Proteinen zur Verfügung stehen muss. Wie in Abschnitt 1.2.6.1 erörtert, besitzt das Mitochondrion ein eigenes Genom (mtDNA), das für einige Prozent der mitochondrialen Proteine codiert. Die mtDNA tierischer Zellen enthält die Information für eine große und eine kleine ribosomale RNA, für die Transfer–RNA von 22 Aminosäuren und für 13 unterschiedliche Polypeptide, unter anderem für zwei Untereinheiten der ATP-Synthase und für einige Untereinheiten von Proteinen, die an der Elektronenübertragung beteiligt sind. Dieser rudimentäre Bestand an Proteinen könnte verständlicherweise weder die Existenz der Mitochondrien, noch ihre großartigen biochemischen Leistungen gewährleisten, wenn man bedenkt, dass allein das komplexe System der Atmungskette aus etwa 50 Polypeptiden besteht. Das Mitochondrion ist also auf den Import zahlreicher Proteine angewiesen, die im Zellkern codiert und im Cytosol an freien Ribosomen synthetisiert werden. Diese zu importierenden Proteine können entsprechend ihrer Funktion grob eingeteilt werden in: mitochondriale Aminoacyl-tRNA-Synthasen, mitochondriale DNA-Replikationsenzyme, mitochondriale ribosomale Proteine, mitochondriale RNA-Polymerasen, membrangebundene Enzyme der Elektronentransportkette und der ATP-Synthese sowie lösliche Enzyme der Matrix. Das Mitochondrion ist nicht angeschlossen an das Protein-Transportsystem, das durch die Interaktion zwischen endoplasmatischem Reticulum und Golgi-Apparat zustandekommt, und als vesikulärer Transport bezeichnet wird. Es mussten also andere Arten der Proteinerkennung, -Lenkung und -Internalisierung entwickelt werden. Dieser Transport funktioniert im übrigen nur in einer Richtung, ein Proteintransport aus dem Mitochondrion in das Cytosol ist nicht nachgewiesen worden. Der Import von Proteinen in das Mitochondrion ist äußerst komplex und noch nicht in allen Einzelheiten geklärt. Er ist ein relativ schneller Prozess; die Aufnahme erfolgt innerhalb von ein bis zwei Minuten, nachdem die Synthese der Polypeptidkette an den cytosolischen Polysomen abgeschlossen ist. Für den Import, der sich in mehreren Phasen abspielt, müssen die zu transportierenden Polypeptide bestimmte Voraussetzungen erfüllen: Sie dürfen nicht gefaltet sein und müssen als für den Import vorgesehen markiert sein, damit sie von Rezeptoren an der Oberfläche der Mitochondrien erkannt werden. In einigen wenigen Fällen haben die Moleküle nur die äußere Membran des Mitochondrions zu überwinden, da sie, wie die Porin-Moleküle, in dieser Membran lokalisiert sind. Die meisten jedoch, die für die sonstigen Subkompartimente vorgesehen sind, müssen durch beide Membranen hindurchtreten. Im Mitochondrion angelangt, muss die importierte Polypeptidkette die für ihre Funktion adäquate räumliche Struktur durch Faltung erlangen. Die importierten Proteine müssen zu ihren Funktionsorten gelenkt werden, und schließlich müssen sie unter Umständen mit anderen Polypeptiden cytosolischen oder mitochondrialen Ursprungs zu funktionellen Komplexen aggregieren. Die einzelnen Schritte des Proteinimports sind in Abbildung 1.45 vereinfacht dargestellt. Die von den cytosolischen Polysomen freigesetzten Polypeptidketten sind Vorläuferproteine, die erst nach dem Import in die Mitochondrien ihre Funktionsfähigkeit erlangen. Der Durchtritt bereits gefalteter Proteine durch die mitochondrialen Membra-

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

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95

ä

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1.45

Import von Proteinen durch die Membranen des Mitochondrions hsp 70/60 = Hitzeschockprotein 70/60

nen gilt als sehr unwahrscheinlich. Um die Vorläuferproteine in der importkompetenten, das heißt entfalteten, Form zu bewahren, werden diese an cytosolische Begleitproteine, Chaperone (auch Chaperonine) genannt, gebunden. Chaperone sind eine funktionell definierte Gruppe von Proteinen, die ganz allgemein eine regulatorische Rolle bei der Faltung anderer Proteine haben („Protein-katalysierte Proteinfaltung“). Einerseits verhindern sie die beliebige Aggregation noch nicht gefalteter Proteine, andererseits tragen sie durch Bindung an exponierte hydrophobe Regionen dazu bei, dass falsch gefaltete Proteine korrekt gefaltet werden. Die für die Bindung der Vorläuferproteine zuständigen cytosolischen Chaperone gehören zur hsp70-Familie, der sogenannten Hitze-Schock-Proteine. Nach Initiation der Aufnahme des Vorläuferproteins dissoziieren die Chaperone in einem ATP-abhängigen Prozess von diesen wieder ab. Außer der Verhinderung der Faltung dürften die Chaperone auch an der Lenkung der Peptidketten zu den Rezeptoren beteiligt sein. Es gibt einige wenige Vorläuferproteine, deren Import nicht von der Bindung an Chaperone abhängt; sie bleiben auch ohne diese Bindung importfähig. Die Vorläuferproteine tragen am N-terminalen Ende ein aus 20 bis 80 Aminosäuren bestehendes Signalpeptid, wobei möglicherweise nur etwa 12 Aminosäuren für die Signalwirkung essentiell sind. Durch ein und dasselbe Signal können verschiedene Proteine für den Import markiert werden. Vollständige Signalpeptide bilden eine amphipatische α-Helix, da die Aminosäuren so angeordnet sind, dass eine Seite der Helix positiv, die andere negativ geladen ist. Wahrscheinlich ist diese Konformation diejenige, die durch spezifische Rezeptoren an der mitochondrialen Oberfläche erkannt wird. Die Rezeptoren sind auf der gesamten äußeren Oberfläche des Mitochondrions verteilt, kommen jedoch an bestimmten Stellen in besonders hoher Anzahl vor. An diesen

96

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Stellen besteht – auch elektronenmikroskopisch sichtbar – ein enger Kontakt zwischen der äußeren und inneren Membran des Mitochondrions. So kann das Vorläuferprotein die beiden Membranen durch Vermittlung eines sogenannten Insertionsproteins, das mit den benachbarten Rezeptoren interagiert, in einem Schritt durchqueren. Es gibt zwei unterschiedliche Rezeptortypen mit überlappender Spezifität, aber möglicherweise unterschiedlichen Aufgaben. Für die Initiation des Importes ist die elektrochemische Potentialdifferenz, die durch die Elektronentransportkette geschaffen wird, grundlegend. Nach Übertritt des Vorläuferpeptids durch die Membranen wird dieses an die mitochondrialen Chaperone hsp70, eventuell in einem weiteren Schritt an hsp60 gebunden. Auch diese Bindungen werden dann in je einem ATP-verbrauchenden Schritt gelöst. Man nimmt an, dass dieser energiegetriebene Cyclus von Binden und Loslassen die treibende Kraft des Importes darstellt, nachdem das Vorläuferprotein über Insertionsprotein in den Matrixraum gelangt ist. Gleich nach Eintritt in den Matrixraum wird das Signalpeptid durch eine spezifische Signalpeptidase hydrolytisch abgespalten, wodurch das reife mitochondriale Protein entsteht. Dessen Faltung wird durch das hsp60 erleichtert. Ist das reife Protein nicht für den Matrixraum bestimmt, wird es weiter gelenkt an die innere Membran – beispielsweise die Untereinheit 9 der Fo-ATPase (Fo9) – oder in den Intermembranraum – wie das Cytochrom b2. Bei der Lenkung zum richtigen funktionellen Ort sind wahrscheinlich ebenfalls sekundäre Signalpeptide beteiligt. Diese Sequenzen entstehen nach Abspalten des ursprünglichen Signalpeptids und führen zur Insertion des Proteins an der richtigen Stelle. Es gibt auch Proteine, beispielsweise der ADP/ATP-Translokator, die einen alternativen Weg der Insertion in die innere Membran gehen. Sie werden an Stellen integriert, an denen kein Kontakt zwischen den beiden Membranen des Mitochondrions besteht, und besitzen ein an das ursprüngliche Signalpeptid angrenzendes Stop-TransferPeptid. Nach Übertritt des Signalpeptids zur Matrixseite, wird dieses abgespalten und der ADP/ATP-Translokator bleibt mit dem Stop-Transfer-Peptid in der Membran verankert. Den gleichen „direkten“ Weg der Insertion unter Umgehung der mitochondrialen Chaperone dürfte auch das Porin nehmen, das in die äußere Membran integriert wird.

1.2.7 Das Cytosol Der Begriff Cytosol wurde ursprünglich von Zellbiologen eingeführt als Bezeichnung für einen Überstand, der bei der Ultrazentrifugation von aufgeschlossenem Zellmaterial gewonnen wurde. Es handelt sich somit um einen Begriff der präparativen Laboratoriumstechnik, der unscharf definiert ist und des öfteren synonym für Cytoplasma verwendet wird. Unter Cytoplasma versteht man jedoch den gesamten Bereich einer Zelle zwischen Plasmamembran und Zellkern. Somit gehören auch die bisher besprochenen von Membranen umschlossenen Kompartimente – endoplasmatisches Reticulum, Golgi-Apparat, Lysosomen, Peroxisomen und Mitochondrien – zum Cytoplasma. Das Cytosol ist somit ein Kompartiment, dessen räumliche Ausdehnung nach Abzug dieser Kompartimente sowie des Zellkerns von der Plasmamembran umschlossen wird. Im Cytosol verteilt befinden sich zahlreiche supramolekulare Gebilde, unter anderem Ribosomen, Polysomen, verschiedene Granula und die Strukturen des Cytoskeletts. Die Zugehörigkeit des Cytoskeletts zum Cytosol wird unterschiedlich beurteilt.

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

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Die Bezeichnung Cytosol ist ein Hinweis darauf, dass es sich um den löslichen Anteil des Cytoplasmas handelt. Da es sich jedoch im Cytosol zahlreiche hochmolekulare Substanzen, zum Beispiel Multienzymkomplexe oder Lipidaggregate befinden, entspricht dieses Kompartiment keineswegs einer wässrigen Lösung, sondern ist ein komplex zusammengesetztes Gemisch von gelartiger Konsistenz, das auch unlösliche Bestandteile enthält.

1.2.7.1

Das Cytosol ist von einem dichten Netzwerk aus Proteinfilamenten durchzogen

Im Cytosol aller Eukaryotenzellen befindet sich ein dynamisch organisiertes, dreidimensionales System aus faserigen Strukturen, das als Cytoskelett bezeichnet wird. Den Durchbruch zur Darstellung dieses auch ästhetisch faszinierenden, das Cytosol ausfüllenden Netzwerks brachten insbesondere Immunfluoreszenz-Techniken. Das Cytoskelett ist an mehreren grundlegenden zellbiologischen Prozessen beteiligt. Am besten erforscht ist seine Rolle bei der Zellteilung, der Zellmobilität, dem Zustandekommen der Zellpolarität, der Stabilisierung der Zellform und der Steuerung der Bewegungsabläufe von Zellorganellen. Alle Filamente des Cytoskeletts sind Polymere aus unterschiedlichen Proteinmonomeren. Sie werden nach ihrem Durchmesser in drei Typen eingeteilt: Actinfilamente, auch Mikrofilamente genannt, Intermediärfilamente und Mikrotubuli. Die einzelnen Filamenttypen unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern auch hinsichtlich ihres Vorkommens und ihrer Funktion. Actinfilamente und Mikrotubuli benötigen für die Erfüllung ihrer Aufgaben jeweils spezifische assoziierte Proteine. Einige Charakteristika der Filamenttypen sind in Tabelle 1.13 zusammengefasst. Der monomere Baustein der Actinfilamente ist das globuläre Protein Actin (G-Actin), von dem es mehrere Typen gibt. Die Monomere aggregieren zu den helikalen Actinfilamenten (F-Actin). Dabei lagern sich die asymmetrischen G-Actin-Moleküle stets gleich ausgerichtet aneinander, wodurch das Actinfilament eine Polarität erhält. An einem Ende – dem (+)-Ende – des Filaments ist die weitere Polymerisation begünstigt, am anderen der Zerfall des Polymers. Dadurch wandern die einzelnen Monomere langsam durch das Filament. Actinfilamente befinden sich also in einem, für die Komponenten des Cytoskeletts charakteristischen und funktionell bedeutsamen, dynamischen Zustand. Mit dem G- und F-Actin interagieren mehr als 50 unterschiedliche Zellproteine. Manche assoziierte Proteine kontrollieren, wie das Profilin, die Verfügbarkeit der Monomere. Andere regeln die Polymerisationsgeschwindigkeit (Villin), stabilisieren die Kettenenden (Fragin, β-Actinin), verbinden die Filamente untereinander oder mit anderen Proteinen der Zelle (α-Actinin, Spektrin), lösen die Struktur des Filamentes auf (Gelsolin) und vieles andere mehr. Soweit bekannt, werden diese Interaktionen durch Ca2+ und/oder Proteinkinasen gesteuert. Actin ist das häufigste Protein der Eukaryotenzelle, oft mehr als 5 % der gesamten Proteinmasse. Die Actinmonomere und -Filamente sind über das gesamte Cytosol verteilt. In den meisten tierischen Zellen bilden jedoch Actinfilamente direkt an der Innenseite der Plasmamembran ein dichtes Netz, das als Zellcortex oder Zellrinde bezeichnet wird. In diesem Falle sind die Filamente mit dem Protein Filamin quervernetzt und

98

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Tabelle 1.13: Elemente des Cytoskeletts Filamenttyp

Durchmesser (nm)

Actinfilamente 6-7 (Mikrofilamente)

Intermediärfilamente

Monomere Untereinheiten (Molekülmasse in kDa)

Vorkommen

Assoziierte Proteine

β -Actin (43) γ -Actin (43)

ubiquitär

α -Actinin β -Actinin Myosin Tropomyosin Troponin Filamin Fimbrin Fodrin Profilin Spektrin Ankyrin Villin Vinculin Gelsolin u.a.

8-10

Typ I

saure Keratine (40-70) Epithelzellen neutrale und basische und Derivate Keratine (40-70) (Haar, Nägel)

Typ II

Vimentin (53)

Zellen mesenchymat. Ursprungs

Desmin (52) fibrilläres saures Gliaprotein (45)

Muskelzellen Gliazellen

Typ III

Neurofilamentproteine Neurone (60-130)

Typ IV

nucleare Lamina A, B, C (65-75)

Kernlamina aller Zellen

α -Tubulin (50) β -Tubulin (50)

ubiquitär

Mikrotubuli

20-25

Dynesin Kinetin Nexin

verleihen der Zelle mechanische Stärke und gleichzeitig die Fähigkeit ihre Form zu ändern. Die Mikrovilli am lumenseitigen Pol der intestinalen Epithelzelle verdanken ihre Beweglichkeit ebenfalls den Actinfilamenten, die sie in Längsrichtung durchziehen. An diesem Beispiel soll die Struktur und Funktionsweise des Cytoskeletts für einen Einzelfall dargestellt werden (Abbildung 1.46). Je Mikrovillus sind etwa 40 Actinfilamente in parallelen Bündeln angeordnet und untereinander durch die assoziierten Proteine Villin, Fimbrim und andere verknüpft. Eine Myosin-ähnliche ATPase und das Ca2+-bindende Calmodulin stellen eine seitliche Verbindung mit der Plasmamembran her. Ein weiteres assoziiertes Protein, das Fodrin, verbindet die Actinfilamente an der Basis un-

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

99

ä

1.46

Interaktion zwischen Actinfilamenten mit assoziierten Proteinen und Intermediärfilamenten in Mikrovilli der intestinalen Epithelzelle

tereinander und stabilisiert damit das Gefüge. Es stellt auch die Verbindung zu einem Netz aus Intermediärfilamenten her, das quer zur Richtung der Actinfilamente verläuft. Die Intermediärfilamente sind dauerhafte Proteinfasern, die die für Actinfilamente und Mikrotubuli charakteristische Dynamik des Auf- und Abbaus nicht aufweisen. In tierischen Zellen bilden sie eine Art von „Korb“ um den Zellkern, von dem aus sie sich bis zur Zellmembran erstrecken. Sie sind unlöslich und reißfest, und haben die Form gewundener Seile vom Typ eines α-helikalen Superhelix. Die Monomere der Intermediärfilamente sind selbst faserige Proteinmoleküle. Die in verschiedenen Zelltypen vorkommenden Intermediärfilamente werden aus unterschiedlichen, zu vier Typen gehörenden, Proteinen zusammengefügt, deren molare Masse zwischen 40 und 100 kDa liegt. Acht nicht-polare Protofilamente bilden zusammen je ein Intermediärfilament. Diese stabilen Strukturen des Cytoskeletts sind für den Zusammenhalt epithelialer Zellen durch die Desmosomen von Bedeutung. Als Neurofilamente festigen sie neurale Strukturen. Die röhrenförmigen Mikrotubuli gehen in den meisten tierischen Zellen vom Centrosom aus, das als Organisationszentrum für diese Elemente des Cytoskeletts fungiert. Ihre strahlenförmigen Fortsätze reichen bis zur Plasmamembran. Auch die Mikrotubuli sind polare Strukturen. Ihre (+)-Enden weisen eine dynamische Instabilität auf, indem sie an diesen ständig auf- und abgebaut werden, während das (–)-Ende des Centrosoms durch assoziierte Proteine blockiert und damit stabilisiert wird. Die Monomere der Mikrotubuli sind die beiden globulären Proteine α- und β-Tubulin, die sich zu α-, β-Heterodimeren zusammenlagern. In einem zweiten Schritt bilden 13 dieser Heterodimere einen Ring, der durch Zusammenlagerung mit weiteren Ringen eine Röhre bildet. Tubuline binden im nicht polymerisierten Zustand je 2 GTP pro Dimer, die zu GDP hydrolysiert werden. Auch die Mikrotubuli sind auf assoziierte Proteine angewiesen, die ihre Eigenschaften modifizieren. Im Gegensatz zu den Actinfilamenten werden jedoch die Mikrotubuli durch diese Proteine nicht quervernetzt, sie sind Einzelfilamente. Am Fasersystem der Mikrotubuli können Organellen, zum Beispiel Mitochondrien, entlang geleitet werden. Weiterhin bestimmen sie in den Zellen die Lage des endoplas-

100

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

matischen Reticulums und des Golgi-Apparats. Die Mikrotubuli sind auch an der Ausbildung der Polarität von Zellen beteiligt und spielen eine besondere Rolle bei der Zellteilung. Actinfilamente, Intermediärfilamente und Mikrotubuli haben eine jeweils spezifische chemische Zusammensetzung und charakteristische Aufgaben. Dennoch sind sie keine unabhängigen Komponenten des Cytoskeletts. Es steht fest, dass ihre Funktionen koordiniert sind, ohne dass die molekularen Mechanismen, die dabei wirksam werden, geklärt sind.

1.2.7.2

Das Cytosol ist ein zentrales Kompartiment des gesamten Zellstoffwechsels

Das Cytosol ist ein Reaktionsraum der Zelle, in dem sich Tausende von biochemischen Vorgängen abspielen. Unter diesen sind sowohl katabole Prozesse, die zum Abbau komplexerer Moleküle führen, vertreten als auch anabole, das heißt solche, deren Endprodukte komplexer sind als die Ausgangssubstanzen. Diese Prozesse werden fast ohne Ausnahme von Enzymen katalysiert, die häufig zu Reaktionsketten organisiert sind. Das Cytosol besteht zu etwa 20 Gewichtsprozenten aus Proteinen, von denen ein erheblicher Anteil Enzymproteine sind. Annähernd der gesamte Proteinbestand des Cytosols wird an den zahlreichen freien, das heißt nicht an Membranen gebundenen, Ribosomen dieses Kompartiments synthetisiert. Der Umfang des Proteinimports aus dem extrazellulären Raum ins Cytosol ist je nach Zelltyp unterschiedlich, aber insgesamt geringfügig. Andererseits ist das Cytosol – wie bereits besprochen - ein bedeutender Proteinlieferant für die Organellen. Mit Ausnahme der wenigen mitochondrial codierten Proteine beginnt die Synthese aller Proteinmoleküle im Cytosol. Besitzen diese entsprechende Signalpeptide, so werden sie zwecks Modifikation in das ER-Golgi-System dirigiert oder zu ihrem Bestimmungsort in den Mitochondrien weitergeleitet. Proteine, denen derartige Signalsequenzen fehlen, verbleiben im Cytosol. Man schätzt, dass etwa die Hälfte der in diesem Kompartiment synthetisierten Proteinmoleküle an Ort und Stelle bleibt. Einige dieser Proteine sind tatsächlich löslich und gehen wahrscheinlich keine Bindung mit anderen Bestandteilen des Cytosols ein. Andere wiederum werden über Fettsäureketten an den cytosolischen Seiten von Organellenmembranen oder an der Innenseite der Plasmamembran verankert. Zunächst wird das Protein mit der Fettsäure – meistens handelt es sich um Myristin- oder Palmitinsäure – verknüpft, die sich dann in die Lipiddoppelschicht der Membran einlagert. Diese Anheftung von Proteinen mittels Lipidanker hat wichtige Konsequenzen für die Funktion der Proteine (Abschnitt 1.1.1.2). Kleine Moleküle, wie Metaboliten des Intermediärstoffwechsels, niedermolekulare Proteine und auch anorganische Ionen, sind im Cytosol weitgehend frei beweglich und diffundieren schnell. Größere jedoch sind schon durch die Existenz des Cytoskeletts in ihrer Beweglichkeit eingeschränkt. Hierdurch wäre es auch möglich – jedoch noch nicht bewiesen –, dass bestimmte Enzyme von metabolischen Ketten, zum Beispiel der Glykolyse, an spezifischen Stellen an Fibrillen des Cytoskeletts gebunden sind. Hierdurch wäre die Möglichkeit gegeben, dass die Enzyme auch räumlich zu funktionell sinnvollen Sequenzen zusammengefasst werden. Die Zwischenprodukte hätten in solchen hochorganisierten Enzymketten kurze Diffusionswege und wären wirkungsvoll kanalisiert. Auch Teile des Proteinsyntheseapparats scheinen in irgendeiner Form mit dem

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

101

Cytoskelett verbunden zu sein. Es ist durchaus möglich, dass auch im Cytosol funktionell unterschiedliche Räume existieren. Eine große Anzahl von Proteinen erfährt im Cytosol eine posttranslationale Modifikation, die zur Modulation der biologischen Funktion führt. Im speziellen Fall der Enzymproteine wird dadurch die Enzymaktivität gesteuert (Abschnitt 1.3.2.6). Zu den wichtigsten Modifikationen gehören die reversible Phosphorylierung, die reversible Methylierung und die reversible Acetylierung. Bei allen drei Modifizierungen handelt es sich um eine enzymkatalysierte kovalente Verknüpfung eines Substituenten mit dem Protein. Die Umkehrung der Reaktion wird durch ein anderes spezifisches Enzym katalysiert. Die Modifikation durch Anfügen von Zuckerresten, wie dies am endoplasmatischen Reticulum und im Golgi-Apparat geschieht (Abschnitt 1.2.2.4 und 1.2.3.2), ist im Cytosol auf einen Fall beschränkt. In diesem Kompartiment der Säugerzelle findet die Anheftung eines einzelnen N-Acetyl-Glucosamins an ein beliebiges Protein statt. Es gibt auch einige andere dauerhaft wirksame Proteinmodifikationen im Cytosol, zu denen die kovalente Anbindung von Coenzymen, zum Beispiel des Biotins und des Pyridoxalphosphats gehören. Das Cytosol ist ein zentraler Reaktionsraum, in dem grundlegende Vorgänge des Zellstoffwechsels stattfinden. Dazu gehört der evolutionär sicherlich sehr alte Prozess der Glykolyse. Wenn auch alle Enzyme dieser katabolen Reaktionskette im Cytosol lokalisiert sind, besteht eine enge Kooperation mit anderen Kompartimenten. Von besonderer Bedeutung ist die Versorgung des Mitochondrions mit dem Endprodukt der Glykolyse, dem Pyruvat, das eines der Hauptsubstrate der mitochondrialen Energiegewinnung ist. Wie bereits besprochen (Abschnitt 1.2.6.6), werden auch die reduzierten Coenzyme aus der glykolytischen Kette zur Energiegewinnung in das Mitochondrion transferiert. Große Teile des Umkehrprozesses der Glykolyse, der der Synthese von Glucose dient, sind ebenfalls im Cytosol lokalisiert. Die ersten Schritte der Gluconeogenese finden jedoch im Mitochondrion statt, am letzten Schritt der Freisetzung der Glucose ist das endoplasmatische Reticulum beteiligt. Ein auch quantitativ wesentlicher Substratfluss aus dem Mitochondrion in das Cytosol ist der von Acetyl-CoA, das fast ausschließlich im Mitochondrion gebildet wird. Dieser Metabolit ist das Primärsubstrat zweier cytosolischer Synthesen: der Fettsäureund der Cholesterinsynthese. Zahlreiche weitere Austauschvorgänge zwischen dem Cytosol und verschiedenen Organellen – einschließlich der zugehörigen Transportmechanismen – wurden bereits besprochen. Weitere werden bei der Behandlung der betreffenden Stoffwechselprozesse berücksichtigt.

1.2.7.3

Im Cytosol findet ein gesteuerter Proteinabbau statt

Alle cytosolischen Proteine unterliegen einem turnover, indem sie ständig auf- und abgebaut werden. Die Mehrzahl dieser Proteine ist relativ lange funktionsfähig. Die biologische Halbwertszeit der Leberproteine beträgt beispielsweise einige Stunden bis wenige Tage. Bei dem, in jeder Zelle existierenden, konstanten Proteinumsatz werden einige zufällig ausgewählte Proteinmoleküle abgebaut und durch neue Exemplare ersetzt. In anderen Fällen betrifft der Abbau gezielt nur bestimmte Proteine und erfolgt meistens schnell.

102

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Bei der Proteinbiosynthese entstehen relativ häufig Fehler. Man schätzt die Fehlerquote der Translation auf ungefähr 1 pro 104 eingebauten Aminosäuren. Falsch eingefügte Aminosäuren können die richtige Ausbildung der Tertiärstruktur eines Proteins beeinträchtigen. Die Zuverlässigkeit der Translation scheint trotzdem ausreichend zu sein, da die Fehler durch raschen Abbau nicht korrekter Proteine korrigiert werden. Fehlerhafte Proteine können auch posttranslational, zum Beispiel durch Oxidation von Seitenketten, oder bei sonstigen chemischen Vorgängen entstehen und bedürfen ebenfalls der schnellen Elimination. Nicht nur fehlerhaft synthetisierte oder chemisch geschädigte Proteine müssen abgebaut werden, sondern auch solche, deren spezifische biologische Funktion nur erfüllt wird, wenn sie einen raschen turnover haben. Solche schnelle Umsatzraten, die genetisch determiniert sind, aber auch durch verschiedene Faktoren steuerbar sein können, haben beispielsweise die sogenannten Schlüsselenzyme von Reaktionsketten. Diese Enzyme haben eine regulatorische Funktion, die unter anderem über die Kontrolle der Enzymkonzentration realisiert wird. Ein weiteres Beispiel: Bei der Reifung der Reticulocyten müssen die nicht mehr gebrauchten Proteine, dem jeweiligen Reifestadium entsprechend, gezielt abgebaut werden. Die kurze Lebensdauer derartiger Proteine ist durch eine einzige, N-terminale „destabilisierende Aminosäure“ als Signal festgelegt und an ihrem Abbau ist ein cytosolisches Protein beteiligt, das in allen Eukaryotenzellen vorkommt und daher den Namen Ubiquitin trägt. Das Ubiquitin ist ein kleines Proteinmolekül aus 76 Aminosäuren und dient dazu Proteine, die das entsprechende Signal tragen, für den Abbau zu markieren. Zu diesem Zweck wird der C-terminale Glycyl-Rest des Ubiquitins mit Amino-Gruppen von Lysyl-Seitenketten des abzubauenden Proteins peptidartig verknüpft.

ä

1.47

Aktivierung des Ubiquitins beim gesteuerten cytosolischen Abbau von Proteinen

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

103

Diesem Vorgang geht eine komplizierte Aktivierung des Ubiquitins voraus, die in Abbildung 1.47 dargestellt ist. Für die ATP-abhängige Aktivierung sind drei hintereinander geschaltete enzymatische Reaktionen notwendig. Zunächst wird das Ubiquitin über eine Thioesterbindung mit Enzym 1 verknüpft und von diesem auf eine SH-Gruppe des Enzyms 2 übertragen. Enzym 3, das auch die Spezifität für das abzubauende Protein vermittelt, katalysiert schließlich die Übertragung des Ubiquitins auf das Protein. Häufig wird nicht nur ein Ubiquitinmolekül an das Protein gebunden, sondern eine oft verzweigte Kette aus bis zu 20 Molekülen. Ein mit Ubiquitin markiertes Protein wird von einem großen Protease-Komplex, dem 28 S Proteasom, in einem ATP-abhängigen Prozess zu kleinen Peptiden und Aminosäuren gespalten. Das abgespaltene Ubiquitin wird recyclisiert. Im Cytosol gibt es eine weitere Möglichkeit, denaturierte und falsch gefaltete Proteine wieder in Lösung zu bringen und neu zu falten. Erhöhung der Umgebungstemperatur stört die Faltung der Polypeptide. Auf diesen „stress“ reagieren die Zellen mit Verstärkung der Syntheserate sog. Hitzeschock-Proteine (Hsp). Diese „helfen“ bei der Faltung, der Reparatur, dem Abbau und dem Transfer der Proteine zwischen den Kompartimenten. Sie sind sog. „molekulare Chaperone“, von denen es mehrere Hsp-Familien gibt (z.B. Hsp 40, Hsp 70 und Hsp 90). Die Einteilung erfolgte nach ihrer molaren Masse in kDa. Die hsp-Proteine bewirken die Auflösung zusammengeballter und falsch gefalteter Proteinaggregate durch wiederholte Cyclen von ATP-Bindung und ATP-Hydrolyse.

1.3 Die enzymatische Regulation Die Bedingungen, unter denen chemische Umsetzungen in biologischen Systemen ablaufen, sind denkbar ungünstig: Die Substanzen, die miteinander reagieren sollen, sind in wässriger Lösung weitgehend verdünnt, die Temperatur übersteigt – mit wenigen Ausnahmen – die 37°-Marke kaum, der Druck ist nicht über eine Atmosphäre steigerbar. Die meisten, an biochemischen Reaktionen beteiligten Moleküle, weisen außerdem eine relativ hohe Stabilität auf. Für den Ablauf derartiger Reaktionen ist daher das Vorhandensein von Katalysatoren von essentieller Bedeutung. In biologischen Systemen haben bekanntlich Enzyme die Rolle von Biokatalysatoren. Generell verkürzen Katalysatoren die Reaktionszeit bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustandes, ohne die Richtung einer gegebenen chemischen Reaktion zu beeinflussen, und sie gehen unverändert aus dem Reaktionsablauf hervor. Diese allgemeinen Katalyseregeln gelten auch für die enzymatische Katalyse. Die durch die Katalyse erzielte Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit kommt durch die Herabsetzung der Aktivierungsenergie zustande, die die entscheidende Größe für den Start jeder Reaktion ist. Genauer gesagt: Ein Katalysator eröffnet der Reaktion neue Wege mit mehreren Übergangszuständen (Abbildung 1.48). Wenn alle auftretenden Übergangszustände eine geringere Aktivierungsenergie haben als die nicht katalysierte Reaktion, wird der alternative Weg schneller durchlaufen und zwar auch dann, wenn die Zahl der Zwischenprodukte größer ist. Wie aus Abbildung 1.48 ebenfalls ersichtlich, ist die Änderung der freien Enthalpie Δ G gleich, unabhängig davon, ob die Reaktion katalysiert (rote Linie), oder nicht katalysiert (schwarze Linie) abläuft. Enzyme sind ungewöhnlich effektive Katalysatoren. Sie erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeiten auf das 107- bis 1010-fache – in einigen Fällen sogar auf das 1014-fa-

104

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

1.48

Energiediagramm einer Reaktion ohne und mit enzymatischer Katalyse S = Substrat‚P = Produkt; Ea = „Aktivierungsenergie“ (kJ × mol–1); schwarz = ohne Enzym; rot = mit Enzym

che – gegenüber nicht katalysierten Reaktionen. Dies bedeutet beispielsweise, dass eine enzymkatalysierte Reaktion, die sich in einer Sekunde abspielt, ohne enzymatische Katalyse 30 Jahre beanspruchen würde. Im Vergleich zu den chemischen Katalysatoren wirken Enzyme hochspezifisch. Sie weisen eine Substratspezifität auf, indem sie nur die Umsetzung ganz bestimmter Moleküle katalysieren. Die Substratspezifität mancher Enzyme betrifft allerdings nicht das Substrat als Gesamtmolekül, sondern nur eine bestimmte chemische Gruppierung dieses Moleküls. Das bedeutet, dass solche Enzyme eine Gruppenspezifität besitzen, indem sie verschiedene Moleküle, die die gleiche chemische Gruppierung aufweisen, umsetzen, wenn auch meistens mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Besonders häufig katalysieren derartige Enzyme den Umsatz von polymeren Verbindungen, wie Polypeptide, Polysaccharide und andere. Viele Enzyme sind auch stereospezifisch, indem sie nur ein bestimmtes Enantiomer eines Substratmoleküls akzeptieren. Außerdem zeichnet sich die enzymatische Katalyse durch eine ausgeprägte Wirkungsspezifität aus, indem von zahlreichen möglichen Umsetzungen eines Substratmoleküls nur eine bestimmte katalysiert wird. Für Biosysteme besonders wichtig ist die Tatsache, dass Enzyme – im Gegensatz zu chemischen Katalysatoren – in ihrer Wirksamkeit gesteuert werden können. Diese Besonderheit der enzymatischen Katalyse ermöglicht es, dass auf ihrer Ebene eine sehr effiziente Regulation des Stoffwechsels erfolgen kann. Dieser Aspekt liegt auch im Mittelpunkt der Betrachtungen dieses Kapitels. Die Gesetze der Thermodynamik, einschließlich der Gleichgewichtseinstellung chemischer Reaktionen, gelten grundsätzlich auch für enzymkatalysierte biologische Prozesse. Zum Charakteristikum lebender Systeme gehört allerdings, dass sie zwar auf ein Gleichgewicht hinstreben, aber ein solches nie erreichen und auch nie erreichen sollen, da Systeme im chemischen Gleichgewicht „arbeitsunfähig“ sind. Eine dauernde „Arbeitsfähigkeit“, wie sie beim Stoffwechsel von lebenden Systemen – sei es eine einfache Zelle oder ein komplexer Organismus – erwartet wird, erfordert ein offenes System, das durch ein Fließgleichgewicht gekennzeichnet ist. Wie Abbildung 1.49 schematisch zeigt, werden einem solchen System im Fließgleichgewicht ständig Stoffe und/oder

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

105

ä

1.49

Schema des Fließgleichgewichtes

Energie zugeführt und von ihm abgegeben. Zum Wesen des Fließgleichgewichts gehört also, dass an den Begrenzungen des Systems – bei einer Zelle beispielsweise ist dies die Plasmamembran – ein Stoffaustausch durch Transportprozesse stattfindet. Dessen Intensität kann also selbst die stationären Konzentrationen der einzelnen Stoffe im System beeinflussen. Die Bedeutung der biologischen Membran für die Stoffwechselregulation (Abschnitt 1.1.) findet damit ihre Bestätigung. Ein geschlossenes System tauscht dagegen keine Substanzen mit seiner Umgebung aus und befindet sich im echten chemischen Gleichgewicht, d. h. im Äquilibrium. Gleichung 1.4. beschreibt ein geschlossenes System im Gleichgewicht; A s I1 s I 2 s B

Gl 1.4

Gleichung 1.5. ein offenes System im Fließgleichgewicht. A → A s I⬘1 s I⬘2 s B → B

Gl 1.5

Im Falle des geschlossenen Systems (Gl. 1.4) stehen die Reaktionspartner über die Zwischenprodukte I1 und I2 in einem stabilen Gleichgewicht, das sich bald nach Beginn der Reaktion einstellt. Im Falle des offenen Systems (Gl. 1.5) haben wir es mit einem Fließgleichgewicht zu tun, bei dem der Reaktionspartner A dem System ständig zugeführt wird, während der Reaktionspartner B es ständig verläßt. Die Konzentration der Intermediate I1 und I2 kann im System – zum Beispiel in einer Zelle – konstant bleiben, solange die Geschwindigkeit ihrer Bildung gleich der ihrer Weiterreaktion ist. Dieser quasi stationäre Zustand, auch steady state genannt, ist nur ein scheinbares Gleichgewicht, das nur solange besteht, wie ein gerichteter Substanzfluss durch das System erhalten bleibt. Wird er abgestellt, tritt ein stabiles Gleichgewicht, ein Äquilibrium ein, das mit der Existenz lebender Systeme unvereinbar ist. Die Umwandlung der einzelnen Glieder im Fließgleichgewicht biologischer Systeme geschieht fast ohne Ausnahme mittels enzymatischer Katalyse. Da sich Stoffwechselreaktionen meistens in Form mehr oder minder langer metabolischer Ketten oder von Cyclen abspielen, ist die Anzahl der Intermediate oft weit höher als zwei. Wie bereits erwähnt, ist die katalytische Fähigkeit der Enzyme steuerbar. Somit bestimmt in einem

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Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

offenen System nicht allein die zu- beziehungsweise abgeführte Menge der Reaktionspartner die stationären Konzentrationen der Intermediate und die Fließgeschwindigkeiten, sondern auch die Aktivität der einzelnen beteiligten Enzyme. Im begrenzten Raum jeder Zelle spielen sich synchron Tausende von Reaktionen ab. Um den jeweiligen Anforderungen des Stoffwechsels zu entsprechen, müssen manche enzymatische Reaktionen beschleunigt werden, während andere zu gleicher Zeit verlangsamt oder ganz stillgelegt werden sollen. Dieses bedeutet, dass die Aktivität der Enzyme selektiv regulierbar sein muss. Diese sehr anspruchsvolle Anforderung wird von der Zelle mit außerordentlicher Präzision gemeistert. Dadurch ist es möglich, dass eine Vielzahl enzymatischer Reaktionen in genau aufeinander abgestimmter Weise nebeneinander ablaufen. Enzyme werden von Lebewesen jeglicher Organisationsstufe als Biokatalysatoren eingesetzt. Die Beeinflussung der Wirksamkeit dieser Katalysatoren als Regulationsprinzip des Stoffwechsels dürfte daher evolutionär sehr alt sein. Um die Effektivität der enzymatischen Katalyse den jeweiligen Anforderungen des zellulären Stoffwechsels anzupassen, werden zwei grundsätzlich unterschiedliche Regulationsprinzipien realisiert: die Variation der Enzymmenge und die Variation der Enzymaktivität. Die Variation der Enzymmenge wird entweder durch Steuerung der Biosynthese des Enzyms mittels Induktion und Repression erreicht oder durch Steuerung der Abbaurate. Diese Regulationsmöglichkeiten werden dann eingesetzt, wenn auf eine Änderung der Stoffwechsellage längerfristig reagiert werden soll. Es handelt sich somit um eine chronische Adaptation. Um die Intensität der Biokatalyse zu erhöhen, beziehungsweise zu verringern, ist es allerdings nicht zwingend erforderlich, die Enzymmenge zu variieren. Der gleiche Effekt ist auch zu erzielen, wenn bei konstant angenommener Menge eines Enzyms nur dessen Aktivität, das heißt der Substratumsatz pro Zeiteinheit, geändert wird. Wie im Folgenden beschrieben wird, gibt es dazu mehrere Möglichkeiten. Diese Art von akuter Adaptation eignet sich als Antwort auf plötzlich auftretende, kurzfristige Änderungen der Stoffwechsellage der Zelle. Das Studium der komplexen Regulationsvorgänge bei der enzymatischen Katalyse ist Aufgabe eines Spezialgebietes der Enzymologie, der Enzymkinetik, die jahrzehntelang die biochemische Forschung beherrschte. Sie untersucht sowohl die katalytischen Eigenschaften isolierter Enzyme unter genau definierten, „optimierten“ Bedingungen, als auch das Verhalten dieser Biokatalysatoren unter den sehr komplexen Bedingungen, die in der Zelle oder in sonstigen biologischen Systemen gegeben sind. Modellrechnungen und Simulation enzymatischer Reaktionen gehören zu den Werkzeugen moderner Enzymkinetik. Jahrzehnte hindurch galt als gesichert, dass alle Enzyme Proteine sind. Dieses Dogma ist jedoch Anfang der achtziger Jahre ins Wanken geraten, als man entdeckt hatte, dass eine bestimmte RNA-Sorte des Einzellers Tetrahymena thermophila Schneid- und Spleißvorgänge katalysierte, durch die eine bestimmte Sequenz aus derselben RNA entfernt wurde. Diese RNA-Sorte wirkte also im Sinne eines Autokatalysators. Sie ging jedoch nicht unverändert aus der Reaktion hervor, wie dies für Enzyme gefordert wird, da sie sich selbst veränderte. Zur Unterscheidung von „echten“ Enzymen wurde für solche „RNA-Enzyme“ der Begriff Ribozym eingeführt. Wenige Jahre später wurde entdeckt, dass eine etwas verkürzte Form derselben RNA nicht nur autokatalytisch wirkt, sondern auch das Zusammenfügen anderer RNAs katalysieren kann. Hierbei geht die katalysierende RNA unverändert aus dem katalytischen Prozess hervor und entspricht damit den strengen Kriterien eines echten Katalysators.

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

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Die Entdeckung, dass eine Biokatalyse nicht nur durch Proteine, sondern auch durch RNA möglich ist, war insofern sensationell, als dadurch auch die bis dahin gültige Auffassung über die Entstehung des Lebens überdacht werden musste. Nach dieser Ansicht hätten nämlich Proteine und Nucleinsäuren nur in gegenseitiger Abhängigkeit entstehen können, müssten sich also gemeinsam entwickelt haben. Wenn jedoch RNA nicht nur als Informationsträger, sondern auch als Katalysator wirken kann, stand sie möglicherweise am Beginn der Evolution und kam ohne DNA und ohne Proteine aus. Welche Konsequenz diese Entdeckung für die Evolutionstheorie auch haben mag, die folgenden Ausführungen dieses Kapitels über die enzymatische Regulation beziehen sich auf Enzyme im klassischen Sinne, also auf Enzymproteine.

1.3.1 Die Menge des Enzymproteins lässt sich sowohl durch Steuerung der de novo Synthese als auch durch Steuerung des Abbaus modifizieren Obwohl jede Zelle das komplette Genom des betreffenden Organismus enthält, nutzt sie nur einen sehr geringen Bruchteil der darin enthaltenen Erbinformationen – und zwar je nach Zelltyp einen anderen Bruchteil. Für einen mehrzelligen Eukaryoten ist diese Tatsache die Grundlage der Zelldifferenzierung. Der menschliche Organismus beispielsweise besitzt mehrere Hundert verschiedene Zelltypen. Jeder einzelne Typ hat eine charakteristische strukturelle und biochemische Ausstattung, das heißt, eine Muskelzelle unterscheidet sich von einer Darmepithelzelle hinsichtlich Form, biochemischer und physiologischer Leistung. Der von einer bestimmten Zelle nicht abgerufene Teil der Erbinfomation ist auf Dauer reprimiert; normalerweise „entdifferenziert sich“ eine Zelle nicht. Jede Zelle verdankt ihre biochemische Individualität einer spezifischen enzymatischen Ausstattung. Neben den Genen, die für Strukturmoleküle codieren, gibt es eine Reihe von Genen, welche die Information für jene Enzyme enthalten, die den Ablauf grundlegender zellulärer Prozesse, die allen Zellen gemein sind, katalysieren. Auch diese Enzyme können allerdings in verschiedenen Zellen in unterschiedlicher Menge und/oder mit unterschiedlicher Aktivität vorkommen. Das bekannteste diesbezügliche Beispiel sind die in jedem Zelltyp vorhandenen Enzyme der glykolytischen Kette. Die meisten von ihnen – und viele andere zur „Grundausstattung“ zellulärer Funktion gehörenden Enzyme – werden durch sogenannte house keeping genes codiert, die konstitutiv exprimiert werden, wobei die Expression keine oder nur geringfügige gewebeund stadienspezifische Regulation aufweist. Auch in der ubiquitär vorkommenden glykolytischen Kette gibt es allerdings drei Enzyme, deren Biosynthese zweifelsohne einer Regulation unterliegt: die Glucokinase (in den extrahepatischen Geweben die Hexokinase), die Phosphofructokinase und die Pyruvat-Kinase. Diese drei Enzyme der Glykolyse sind regulatorische Enzyme, die auch als Schlüsselenzyme oder Schrittmacherenzyme bezeichnet werden. Die Regulation der katalytischen Wirksamkeit dieser drei Enzyme erfolgt – neben verschiedenen anderen Möglichkeiten der Steuerung – auch durch Änderung der Menge des Enzymproteins. Prinzipiell kann diese Änderung durch Induktion einer de novo Synthese oder durch geregelten Abbau bewirkt werden. Beispielsweise werden die Schlüsselenzyme der Glykolyse durch das pankreatische Hormon Insulin induziert, wodurch die Biosyntheserate der Enzymproteine ansteigt.

108

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Die selektive Änderung der Biosyntheserate von Schlüsselenzymen ist eine sehr effiziente Möglichkeit der metabolischen Regulation. Statt alle Enzyme von Stoffwechselketten abzubauen und mittels stark energieverbrauchender Prozesse neu zu synthetisieren, genügt es zur Anpassung an die aktuelle Stoffwechselsituation, nur die Menge eines Enzyms oder einiger weniger regulatorischer Enzyme zu verändern. Regulatorische Enzyme befinden sich meistens am Anfang einer Stoffwechselkette, wie beispielsweise die Glucokinase oder Hexokinase der Glykolyse. Die für eine bestimmte Stoffwechselsituation günstigste Durchflussrate von Metaboliten kann somit bereits beim Initialschritt eingestellt werden. Andere Schlüsselenzyme befinden sich an Verzweigungsstellen von vernetzten metabolischen Ketten oder am Ende einer Kette. Damit lassen sich metabolische Flüsse in verschiedene Richtungen lenken. Wie fast alle biologischen Makromoleküle unterliegen auch alle Enzyme einem turnover; sie werden ständig auf- und abgebaut. Die biologische Halbwertszeit, t/2, die Zeit also, in der die Hälfte eines bestimmten Enzymproteins abgebaut wird, ist recht unterschiedlich und eine charakteristische Größe der einzelnen Enzyme. Im allgemeinen sind regulatorische Enzyme recht kurzlebig. Beispielsweise hat das Schlüsselenzym der Cholesterinbiosynthese, die Hydroxymethylglutaryl-CoA-Reductase (Abschnitt 9.6.1.1), mit einer t/2 von 2 bis 3 Stunden eine relativ kurze Lebenszeit. Die Arginase, ein Enzym der Harnstoffbiosynthese (Abschnitt 9.5.2.1), der keine regulatorische Funktion zukommt, ist mit einer biologischen Halbwertszeit von 4 bis 5 Tagen sehr langlebig. Die „Instabilität“, die ein hoher turnover bedingt, scheint die regulatorische Funktion von Enzymen zu begünstigen. Im Intermediärstoffwechsel der Nährstoffe gibt es zahlreiche Schlüsselenzyme, die neben anderen regulatorischen Mechanismen auch mittels Änderung der Enzymmenge der aktuellen metabolischen Situation angepasst werden. Dieser Aspekt wird im Teil II des Buches im Mittelpunkt der Betrachtungen stehen. Zunächst soll jedoch der molekulare Mechanismus der Regulation durch Variation der Enzymmenge auf genetischer Ebene erörtert werden.

1.3.1.1

Die Expression bestimmter Gene wird durch Induktion erhöht, durch Repression verringert

Wie bereits ausgeführt, erfolgt die Expression der meisten Gene konstant und scheinbar ungeregelt. In diesem Falle haben wir es mit einer konstitutiven Genexpression zu tun. Die Menge der regulatorischen Enzyme soll dagegen den aktuellen Erfordernissen des Stoffwechsels entsprechen. Ihre Synthese ist daher nicht gleichmäßig, sondern durch bestimmte Bedingungen induzierbar. Unter Induktion versteht man einen Vorgang, durch den die Expression eines Gens erhöht wird. Eine Verringerung der Genexpression wird als Repression bezeichnet. Repression als steuernder Mechanismus der Genexpression wird bei Eukaryoten sehr viel seltener angewendet als die Induktion. In einigen Fällen ist allerdings bekannt, dass Endprodukte einer Stoffwechselkette die Synthese von Enzymen reprimieren, die am Anfang der betreffenden Kette lokalisiert sind. Um die de novo Synthese eines Proteins in Gang zu bringen, bedarf es eines Induktors. Als Induktoren von Enzymproteinen kommen bei Eukaryoten neben bestimmten Fremdstoffen manche Metaboliten und hauptsächlich einige Hormone in Frage. Unter den Hormonen sind es die lipophilen Hormone – Steroidhormone, Schilddrüsenhormone, Calcitriol (1 α, 25-Dihydroxycholecalciferol) und Retinsäure (Abschnitt

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

109

ä

ä

A/B

ä

B

B

ä ä

B

ä

ä

1.50

Aufbau des intrazellulären Rezeptors lipophiler Hormone Quelle: Koolman, J.; Röhm, K.-H. (1994) Taschenatlas der Biochemie S. 343 Thieme Verlag

1.4.6) –, die ihre induktive Wirkung durch direkte Interaktion mit dem genetischen Material entfalten, indem sie an hormone-response-elements (HRE) der DNA binden. Auch unter den hydrophilen Hormonen, deren Rezeptoren auf der Oberfläche der Plasmamembran lokalisiert sind (Abschnitt 1.41), gibt es einige, – beispielsweise das Insulin und das Glucagon –, die neben andersgearteten Effekten auch eine induktive Wirkung auf die de novo Synthese von Enzymen ausüben. In diesem Falle kommt die Induktion nicht durch unmittelbare molekulare Interaktion des Hormons mit der DNA zustande, sondern wird indirekt durch Phosphorylierung beziehungsweise Dephosphorylierung von Transkriptionsfaktoren erzielt. Diese Prozesse werden durch second messenger vermittelt. Die induktive Wirkung lipophiler Hormone soll am gut erforschten Beispiel der Corticosteroide (Abschnitt 1.4.5.3) besprochen werden. Das von seinen Transportvermittlern losgelöste Steroid durchdringt die Plasmamembran der Zielzelle durch einfache, eventuell durch erleichterte Diffusion. Der Rezeptor lipophiler Hormone ist bekanntlich intrazellulär lokalisiert. Das Hormon bindet sich entweder bereits im Cytoplasma oder erst im Kernraum an seinen Rezeptor. Die Rezeptoren lipophiler Hormone kommen in den Zielzellen in einer Anzahl von 103 bis 104 vor und sind durch hochgradige Affinität (KD = 10–8 bis 10–10 M) und hohe Spezifität charakterisiert. Wie Abbildung 1.50 zeigt, hat das Rezeptorprotein aus insgesamt 400 bis 1 000 Aminosäuren mehrere funktionelle Domänen. Domäne A/B, die unterschiedlich groß sein kann, hat regulatorische Funktionen. Domäne C aus etwa 70 Aminosäuren ist die DNA-Bindungsdomäne. Die kleine Domäne D enthält die Kernlokalisierungssequenz, während in der circa 250 Aminosäuren langen Domäne E die Hormonbindungsstelle integriert ist. Die DNA-Bindungsdomäne (C) weist bei den Rezeptoren aller lipophilen Signalstoffe eine weitgehende Homologie auf. Dieser Bereich hat

110

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

1.51

Wirkungsmechanismus lipophiler Hormone Quelle: Koolman, J.; Röhm, K.-H. (1994) Taschenatlas der Biochemie S. 343 Thieme Verlag

mehrere Cystein-reiche Sequenzen, die Zink-Ionen koordinativ binden, weshalb sie Zink-Finger genannt werden. Die Bindung des Steroids an die Ligandenbindungsstelle (Domäne E) führt, wie in Abbildung 1.51 schematisch dargestellt, zu einer Konformationsänderung des Rezeptorproteins mit mehreren Konsequenzen: vom Rezeptor dissoziiert ein Hitzeschockprotein hsp 90 ab, der Rezeptor wird wahrscheinlich phosphoryliert, es bildet sich ein Dimer aus zwei Rezeptormolekülen aus und die Affinität zur spezifischen Nucleotidsequenz der DNA erhöht sich. Der dimerisierte Hormon-Rezeptor-Komplex bindet sich an das bereits erwähnte hormone-response-element (HRE), eine kurze Nucleotidsequenz des DNA-Doppelstranges. Bei den HREs handelt es sich um DNA-Segmente (Abbildung 1.52), die als Palindrome bezeichnet werden und als Verstärkerelemente (enhancer) bei der Transkriptionskontrolle fungieren. Ausschlaggebend für die Spezifität der Hormonwirkung ist die Nucleotidsequenz in den Palindromen. In Abbildung 1.52 ist das HRE der Glucocorticoide dargestellt; andere Hormonrezeptoren erkennen andere HREs. Ein bestimmtes HRE kann in verschiedenen Zelltypen unterschiedliche Gene kontrollieren. Dadurch ist es zu erklären, dass ein und dasselbe Hormon in verschiedenen Geweben die de novo Synthese unterschiedlicher Proteine induzieren kann. Die Bindung des dimerisierten Hormon-Rezeptor-Komplexes an den Verstärkerabschnitt führt zur Aktivierung der Transkription benachbarter Gene. Diese Aktivierung verläuft entweder über eine Veränderung der Struktur der Nucleosomen (Abschnitt 1.2.1) oder über eine direkte Wechselwirkung mit dem Transkriptionskomplex, bestehend aus der RNA-Polymerase II und verschiedenen Transkriptionsfaktoren. Die ent-

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

111

hormone-response-element (HRE) 1.52

Nucleotidsequenzen des hormone-response-elementes (HRE) für Glucocorticoide n = beliebiges Nucleotid Quelle: Koolman, J.; Röhm, K.-H. (1994) Taschenatlas der Biochemie S. 343 Thieme Verlag

standene mRNA verlässt den Kernraum und im Cytoplasma kommt es zur Synthese der Proteine, zum Beispiel bestimmter Schlüsselenzyme, deren Entstehung unter der Kontrolle eines Hormons als Induktor steht. Der besprochene Fall der Induktion von Schlüsselenzymen durch Corticosteroide ist ein Beispiel für die Transkriptionskontrolle, da sie unmittelbar an der DNA angreift. Die durch Induktion ausgelöste de novo Synthese von Proteinen ist ein relativ langwieriger Prozess. Vom Eintritt des Signalträgers in die Zelle bis zur Fertigstellung eines funktionsfähigen Proteins, zum Beispiel eines Enzyms, kann es bis zu einer Stunde und länger dauern. Diese Art der Regulation auf der enzymatischen Ebene eignet sich daher nur für die chronische Adaptation des Stoffwechsels.

1.3.1.2

Die Menge eines Enzyms lässt sich auch durch Steuerung der Proteolyse kontrollieren

Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die Variation der Enzymmenge nicht allein durch Induktion der de novo Synthese erreicht wird, sondern dass sie auch durch Kontrolle der Abbaugeschwindigkeit möglich ist. Die meisten Proteine der Zelle unterliegen einem konstanten Proteinumsatz, bei dem die Auswahl der Moleküle wahrscheinlich durch Zufall erfolgt. Regulatorische Enzyme dagegen, die im allgemeinen einen genetisch determinierten raschen turnover haben, werden selektiv abgebaut, durch einen Prozess, an dem das Ubiquitin beteiligt ist (Abschnitt 1.2.7.3). Als Erkennungszeichen tragen die für die gesteuerte Proteolyse vorgesehenen Proteine am aminoterminalen Ende „destabilisierende“ Aminosäuren, vor allem Arginyl-, Aspartyl- und Glutamyl-Reste. Endständige Aspartyl- und Glutamyl-Reste können in einem ersten Schritt der gesteuerten Proteolyse durch Desaminierung von Asparagin und Glutamin durch spezifische Amidasen entstehen. Sie gelten daher als sekundär „destabilisierende“ Aminosäuren, während Arginin eine primär „destabilisierende“ Aminosäure ist. Die Kenntnisse darüber, wie die Steuerung der Markierung der abzubauenden Proteine „bedarfsangepasst“ zustandekommt, sind noch sehr lückenhaft. Einige Untersuchungen deuten darauf hin, dass sowohl eine Sättigung von Enzymproteinen mit Coenzymen als auch ein reichliches Substratangebot eine gewisse „schützende“ Wirkung gegenüber proteolytischem Abbau ausüben.

112

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

1.3.2 Die enzymatische Katalyse muss sich der Stoffwechsellage kurzfristig und auch ohne Änderung der Enzymmenge anpassen Für die katalytische Effektivität von Enzymen ist der Begriff Enzymaktivität eingeführt worden. Darunter versteht man den Substratumsatz pro Zeiteinheit. Die Enzymaktivität hat also die Dimension einer Geschwindigkeit und wird nach gültiger internationaler Regelung in Katal (kat) angegeben. Ein kat entspricht dem Umsatz von 1 mol Substrat pro Sekunde (mol × s–1). Eine ältere, aber weiter gebräuchliche Größe ist die Internationale Einheit (U). Als ein U wird der Umsatz von 1 μmol Substrat pro Minute (μmol × min–1 = 16,7 × 10–9 kat) bezeichnet. Für Enzyme, deren Molekulargewicht genau definiert ist, lässt sich unter Standardbedingungen eine charakteristische Größe, die „Wechselzahl“ oder „molekulare Aktivität“ bestimmen. Sie gibt an, wieviele Moleküle Substrat pro Enzymmolekül je Zeiteinheit umgesetzt werden und hat die Dimension s–1 oder min–1. Besonders hohe Wechselzahlen haben zum Beispiel die Katalase (5 × 106min–1) oder die Acetylcholinesterase (3 × 106min–1). Andere Enzyme sind wesentlich weniger leistungsfähig und haben Wechselzahlen um 1 000 pro Minute. Die Aktivität eines Enzyms ist eine variable Größe und wird von verschiedenen Stoffwechselsignalen chemischer und physikalischer Natur beeinflusst. Zu diesen Einflussfaktoren, die mehr oder minder effektiv für die enzymatische Regulation eingesetzt werden können, gehören: die Konzentration des Substrats, der Coenzyme, des Produkts und zahlreicher Metaboliten, einschließlich der second messenger, sowie der pH-Wert und die Temperatur. Im folgenden soll der Effekt dieser Einflussfaktoren einschließlich der molekularen Wirkungsmechanismen, über die sie zustandekommen, betrachtet werden.

1.3.2.1

Die Wechselwirkung zwischen Enzym und Substrat spielt sich im „aktiven Zentrum“ des Enzyms ab

Enzymkatalysierte Reaktionen laufen, wie bereits erwähnt, in mehreren Einzelschritten über Zwischenprodukte ab. Gleichung 1.6 beschreibt den einfachsten Fall einer solchen Reaktion. E + S s ES s E + P

(Gl. 1.6)

Hierbei steht E für das Enzym, S für das Substrat, das heißt für die umzusetzende Substanz, und P für das Produkt, das als Ergebnis der Reaktion entsteht. Wie aus Gl. 1.6 hervorgeht, ist der erste Teilschritt einer enzymatischen Reaktion die Ausbildung eines Enzym-Substrat-Komplexes. Dieser Prozess läuft bekanntlich nicht an irgendeiner beliebigen Stelle des Enzymproteinmoleküls ab, sondern am sogenannten aktiven Zentrum, auch Substratbindungsstelle genannt. Dieser Ort ist nur ein winziger Bruchteil der gesamten gefalteten Polypeptidkette eines Enzyms und ist meistens als eine Einbuchtung oder ein Spalt in der dreidimensionalen Enzymstruktur ausgebildet. Es ist für die Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes charakteristisch, dass sie nur sehr selten durch kovalente Bindung zustandekommt. Sie wird vielmehr durch Wasserstoffbrückenbindungen sowie hydrophobe, ionische und van-der-Waals-Wechselwirkungen vermittelt. Im aktiven Zentrum stehen bestimmte Seitenketten von Aminosäuren der Polypeptidkette, reaktive Gruppen von Coenzymen (Abschnitt 1.3.2.3)

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

113

und in manchen Fällen auch Metallionen für die Interaktion mit dem Substrat zur Verfügung. Bei jeder schwachen Wechselwirkung bei der Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes entsteht in geringem Umfang freie Enthalpie, die die Wechselwirkungen stabilisiert. Die aus diesen Interaktionen resultierende Energie wird als Substrat-Bindungsenergie bezeichnet. Sie gilt als die Hauptquelle für die freie Enthalpie, die zur Erniedrigung der Aktivierungsenergie bei enzymkatalysierten Reaktionen notwendig ist. Die Interaktionen des Substrates mit den katalytisch wirksamen Gruppen erniedrigen die Aktivierungsenergie meistens dadurch, dass sie einen energetisch günstigen Reaktionsweg ermöglichen. Die Bindung des Substrates an das Enzym hält das Substrat in einer für den Ablauf der Reaktion korrekten Orientierung, wodurch sich die Anzahl der produktiven Zusammenstöße dramatisch erhöht. Weiterhin wird bei der Bindung des Substrates dessen Hydrathülle abgestreift. Durch Ausschluß von Wasser herrschen im begrenzten Raum des aktiven Zentrums andere, für die Katalyse günstigere Bedingungen als in der umgebenden Lösung. Die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen gelöstem Substrat und dem Lösungsmittel Wasser werden durch Enzym-Substrat-Wechselwirkungen ersetzt. Die aktiven Zentren von Enzymen sind nicht a priori komplementär zu den Substraten im Sinne des „Schloß-Schlüssel-Prinzips“. Sie ändern vielmehr ihre Konformation während der Substratbindung. Dieser Prozess wird als induzierte Konformationsänderung bezeichnet und betrifft häufig auch die räumliche Konformation des Substrates, die ebenfalls nicht als starr aufzufassen ist. Wesentlich für die enzymatische Katalyse ist insgesamt also, dass das Enzym mit Hilfe des aktiven Zentrums der Reaktion eine Umgebung bietet, in der eine bestimmte Reaktion energetisch stark begünstigt wird.

1.3.2.2

Zwischen der Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion und der Substratkonzentration besteht eine gesetzmäßige Beziehung

Die Menge des verfügbaren Substrates, die bei gleichbleibendem Volumen der jeweiligen Substratkonzentration gleichgesetzt werden kann, ist einer der Hauptfaktoren, über den die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen und damit die metabolischen Umsätze regulierbar sind. Die Abhängigkeit der Umsatzgeschwindigkeit eines Enzyms von der aktuellen Konzentration seines Substrates wird als isosterische Regulation der Enzymaktivität bezeichnet. Es erscheint evident, dass bei konstanter Enzymmenge die pro Zeiteinheit umgesetzte Substratmenge, das heißt die Enzymaktivität, umso höher sein müsste, je mehr Substrat zur Verfügung steht. Diese einfache Überlegung gilt für eine enzymkatalysierte Reaktion allerdings nur sehr eingeschränkt und nur für den Fall, dass die Substratkonzentration sehr niedrig ist. Bei graphischer Darstellung der Enzymaktivität als Funktion steigender Substratkonzentration ergibt sich daher keine lineare Beziehung, sondern – wie dies aus Abbildung 1.53A zu ersehen ist –, eine Sättigungsfunktion, die die Form einer Hyperbel hat. Eine derartige Charakteristik resultiert aus der Tatsache, dass die Anzahl der Substratbindungsstellen, an denen sich als Initialschritt der enzymatischen Umsetzung der Enzym-Substrat-Komplex ausbildet, limitiert ist. Bei einer bestimmten Substratkonzentration ist somit der Punkt erreicht, an dem alle – korrekter gesagt fast alle – Bindungsstellen des Enzyms mit Substrat besetzt sind, weshalb eine weitere Erhöhung des Substratangebots keine weitere Erhöhung der Enzymaktivität zur Folge haben kann. Aus Abbildung 1.53A läßt sich dieser Punkt als Maximalgeschwindigkeit Vmax ablesen.

114

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

1.53

Enzymaktivität in Abhängigkeit von der Substratkonzentration A. Hyperbelfunktion nach Michaelis-Menten; B. Linearisierung nach Lineweaver-Burk; v = Reaktionsgeschwindigkeit; Vmax = maximale Reaktionsgeschwindigkeit; Km = MichaelisKonstante; S = Substrat

Die hyperbelförmige Beziehung zwischen Enzymaktivität und Substratkonzentration lässt sich durch die Gleichung 1.7 beschreiben, die nach ihren Urhebern MichaelisMenten-Gleichung genannt wird, v=

Vmax × [S] K m + [S]

(Gl. 1.7)

wobei v die Reaktionsgeschwindigkeit, Vmax die Maximalgeschwindigkeit und Km die Michaelis-Konstante bezeichnet. Die Maximalgeschwindigkeit Vmax ist der Grenzwert der Reaktionsgeschwindigkeit bei hoher Substratkonzentration und entspricht in etwa der katalytischen Effizienz eines Enzyms. Die Michaelis-Konstante Km ist als diejenige Substratkonzentration definiert, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit des Enzyms die Hälfte der Maximalgeschwindigkeit erreicht. Diese auch als Halbsättigungskonstante bezeichnete Größe hat entsprechend die Dimension einer Konzentration und wird in mol pro Liter (mol

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

115

× L–1) oder mmol pro Liter (mmol × L–1) angegeben. Durch die Km wird die Affinität des Enzyms zum Substrat definiert. Ein hoher Km-Wert entspricht einer niedrigen Affinität, da es zur Halbsättigung des Enzyms einer hohen Substratkonzentration bedarf. Ein niedriger Km-Wert entspricht somit einer hohen Affinität des Enzyms zum Substrat. Die beiden in der Michaelis-Menten-Gleichung enthaltenen Größen Vmax und Km charakterisieren in quantitativer Hinsicht die Wirksamkeit eines Enzyms und lassen sich prinzipiell aus der graphischen Darstellung ablesen. Die auf diese Weise gewonnenen Daten sind nur annäherungsweise richtig, da Vmax, der mathematischen Definition einer Hyperbel entsprechend, keine fixe Größe, sondern eine asymptotische Annäherung ist. Somit ist es schwierig, durch Extrapolation verlässliche Werte für Vmax und damit für Km zu erhalten. Die Michaelis-Menten-Gleichung, die die Gleichung einer Hyperbel ist, lässt sich linearisieren, das heißt rechnerisch so umformen, dass alle Messwerte auf einer Geraden liegen. Eine dieser Methoden ist die von Lineweaver und Burk, bei der die Kehrwerte der Variablen v und [S] in die Michaelis-Menten-Gleichung eingesetzt werden. Dadurch erhält man die Gleichung 1.8, welche die Gleichung einer Geraden ist. K + [S] 1 = m v Vmax × [S]

(Gl. 1.8)

Wie Abbildung 1.53B zeigt, erhält man bei der graphischen Auftragung dieser doppelt reziproken Funktion als exakt ablesbaren Schnittpunkt auf der x-Achse den negativen Kehrwert der Michaelis-Konstante (–Km–1) und auf der y-Achse den Kehrwert der Maximalgeschwindigkeit (Vmax–1). Zwar ist die Lineweaver-Burk-Darstellung die einfachste Methode zur Linearisierung einer Sättigungskinetik, doch ist sie nicht die beste, da bei ihr die Messpunkte einzelner Substratkonzentrationen unterschiedlich starke Gewichtung bekommen. So werden zum Beispiel die Meßwerte, die sich bei hoher Substratkonzentration ergeben, nach Linearisierung auf der x-Achse gestaucht. Es existieren jedoch noch eine Reihe weiterer Linearisierungsverfahren, die je nach Datenmaterial eine mehr oder weniger genaue Ermittlung der beiden Kenndaten erlauben. Die genauesten Ergebnisse lassen sich durch Analyse der Messdaten mittels spezieller Computerprogramme erreichen. Vmax und Km sind wichtige kinetische Konstanten zur Charakterisierung der einzelnen Enzyme. In begrenztem Umfang ermöglichen sie sowohl Aussagen über den Mechanismus diskreter Reaktionsschritte der Katalyse als auch über die Bedeutung einzelner Enzyme für die Regulation von Stoffwechselketten. Die „wahren“ Werte dieser Konstanten können streng genommen nur an isolierten und gereinigten Enzymen unter sogenannten Standardbedingungen bestimmt werden. Als Randbedingungen zu ihrer Ermittlung sind festgelegt: Substratsättigung (das heißt [S] >> [E]); optimale Konzentration von Cosubstraten und Coenzymen; Abwesenheit von Inhibitoren; pH-Optimum des betreffenden Enzyms; 30° C (nach internationaler Konvention). Bei Bestimmung der Konstanten unter „physiologischen“ Bedingungen können diese Voraussetzungen selbstverständlich nicht eingehalten werden und die ermittelten Werte gelten als „scheinbare“ Konstanten (appVmax und appKm). Die Km-Werte der einzelnen Enzyme bewegen sich in einem weiten Bereich zwischen 10–1 mol × L–1und 10–6 mol × L–1 mit einer Häufung zwischen 10–3 und 10–5 mol × L–1. In Tabelle 1.14 sind Beispiele von Michaelis-Konstanten einiger Enzyme aufgelistet. Enzyme, die mehrere Substrate umsetzen, wie beispielsweise die Lactat-Dehydrogenase (LDH) sind unterschiedlich affin zu den Substraten, im Falle der LDH zu Lactat be-

116

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Tabelle 1.14: Michaelis-Konstanten einiger Enzyme Enzym

Substrat

Km (mmol × L–1)

Lactat-Dehydrogenase

Lactat Pyruvat NAD NADH Glucose Glucose Glucose Fructose ATP H2O2 Gly-Tyr-Gly Lactose

6,70 0,16 0,25 0,01 10,00 0,10 0,05 1,50 0,40 25,00 108,00 4,0

Glucokinase (Leber) Hexokinase (Leber) Hexokinase (Gehirn) Katalase Chymotrypsin β -Galactosidase

ziehungsweise Pyruvat. Die Cofaktoren NAD und NADH sind als Cosubstrate der LDH mit eigenen Km-Werten anzusehen. Das gleiche gilt für die Hexokinase, die sowohl Glucose als auch Fructose phosphoryliert. Es ist aus der Tabelle ebenfalls zu ersehen, dass der Km-Wert der Hexokinase zum Substrat Glucose unterschiedlich ist, je nachdem, ob das Enzym aus der Leber oder aus dem Gehirn stammt. Glucokinase und Hexokinase der Leber, die die gleiche Reaktion katalysieren, interagieren mit demselben Substrat, der Glucose, mit hundertfach unterschiedlicher Affinität. Dies hat eine wesentliche Bedeutung für die Steuerung des Kohlenhydratstoffwechsels in der Leber (Abschnitt 9.3.3). Die intrazelluläre Konzentration vieler Substrate bewegt sich in der Größenordnung der Km-Werte jener Enzyme, die ihre Umsetzung katalysieren. Dies bedeutet, dass relativ geringfügige Schwankungen der Substratkonzentration zu einer starken Änderung der Enzymaktivität führen, und damit eine regulatorische Bedeutung für den metabolischen Fluss durch Stoffwechselketten gewinnen. Zahlreiche Enzyme katalysieren Reaktionen mit zwei oder mehr Substraten gleichzeitig, wie dies das Beispiel der Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-phosphat durch die Hexokinase zeigt (Gleichung 1.9). Glucose + ATP → Glucose-6-phosphat + ADP

(Gl. 1.9)

Solche Bisubstrat-Reaktionen können prinzipiell auch mit der Michaelis-MentenGleichung analysiert werden. Man erhält die beiden in Tabelle 1.14 erfaßten Km-Werte. Bei Bisubstrat-Reaktionen können sich im Verlauf der Katalyse beide Substrate gleichzeitig an das aktive Zentrum des Enzyms unter Bildung eines ternären Komplexes binden. Je nach Enzym kann die Reihenfolge, in der die Substrate gebunden werden, genau festgelegt oder zufällig sein. Kinetische Untersuchungen liefern ganz allgemein wertvolle Hinweise auf den molekularen Mechanismus enzymkatalysierter Reaktionen, vorausgesetzt, dass sie mit der notwendigen Kritik interpretiert werden. Die gemessenen Daten werden mit Hilfe komplizierter mathematischer Verfahren analysiert. Eines der Ziele derartiger Untersuchungen ist es, ein quantitatives Bild über den energetischen Verlauf der häufig sehr komplexen Reaktionen zu erhalten.

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

1.3.2.3

117

Zahlreiche Enzyme brauchen für die Katalyse nicht-proteinartige niedermolekulare Cofaktoren

Enzyme – in dem Sinne, wie sie in diesem Kapitel behandelt werden, – sind Proteine mit molaren Massen zwischen etwa 10 000 und über eine Million Dalton. Ein Teil der Enzyme benötigt für die Durchführung der Katalyse außer einer intakten Proteinstruktur keine weiteren Bestandteile. Andere dagegen sind zur Entfaltung ihrer Aktivität auf zusätzliche Komponenten angewiesen, die keine Proteine sind und unter der Bezeichnung Cofaktoren subsumiert werden. Sie greifen in den Ablauf der enzymatischen Katalyse auf unterschiedliche Art und Weise direkt ein. Bei Fehlen ihrer Cofaktoren sind die betreffenden Enzyme entweder völlig inaktiv, oder ihre Aktivität ist vermindert. Die Cofaktoren gehören verschiedenen Substanzklassen an. Zahlreiche Enzyme sind auf anorganische Ionen – in fast allen Fällen handelt es sich um Kationen – angewiesen. Bei Metalloenzymen – beispielsweise Alkohol-Dehydrogenase, Katalase, Carboanhydrase – sind die jeweils spezifischen Kationen in stöchiometrisch genau definierter Relation fest an das Enzymprotein, häufig im aktiven Zentrum, gebunden. Das metallfreie Enzym ist inaktiv. Bei den sogenannten metallaktivierten Enzymen ist das Metallion nur locker an das Protein gebunden. Das metallfreie Enzym behält zwar noch eine Restaktivität, für die optimale katalytische Fähigkeit ist jedoch die Anwesenheit von Metallionen notwendig, wobei sich auch chemisch nahe verwandte Ionen gegenseitig vertreten, aber auch inhibieren können. Metallionen haben verschiedene Möglichkeiten, direkt auf die enzymatische Katalyse einzuwirken. Das Metall kann sich unmittelbar an der Katalyse beteiligen, zum Beispiel durch Valenzwechsel beim Elektronentransport der Oxidoreductase-Reaktionen. Das metallische Kation kann sich an ein negativ geladenes Substratmolekül oder an ein Substrat mit einem freien Elektronenpaar binden, wobei sich ein Metall-Substrat-Komplex bildet, der als das eigentliche Substrat des betreffenden Enzyms fungiert. Schließlich kann das Metallion an eine funktionelle Gruppe des aktiven Zentrums gebunden sein und als Brücke zur Substratbindung dienen. Tabelle 1.15 enthält einige Beispiele von Enzymen, deren Aktivität auf die Anwesenheit von Metallionen angewiesen ist. Aufgrund des Effektes auf die enzymatische Katalyse stellt die Konzentration von Metallionen in den einzelnen Zellkompartimenten einen wesentlichen Faktor zur Regulation von Stoffwechselwegen dar. Insbesondere der Veränderung der Calciumkonzentrationen in unterschiedlichen Kompartimenten misst man in dieser Hinsicht eine vielfältige Bedeutung zu. Zahlreiche andere Enzyme benötigen zur Entfaltung ihrer katalytischen Aktivität organische oder metallorganische Moleküle als Cofaktoren, die als Coenzyme bezeichnet werden. In einigen Fällen sind sowohl Coenzyme als auch Metallionen an der Katalyse beteiligt. Ein Teil der Coenzyme ist kovalent und permanent an das Enzymprotein, das Apoenzym, gebunden und trägt dann die Bezeichnung prosthetische Gruppe. Diese Benennung wird im übrigen auch für die Ionen, die fest an Metalloenzyme gebunden sind, angewendet. Der Komplex aus Apoenzym und Coenzym beziehungsweise Metallion(en) trägt den Namen Holoenzym. Eine Reihe von Coenzymen interagiert nur temporär mit dem Apoenzym. Diese dissoziablen Coenzyme sollten korrekterweise als Cosubstrate aufgefasst werden. Zu dieser Gruppe gehören beispielsweise das ATP sowie NAD/NADP beziehungsweise ihre reduzierten Formen NADH/NADPH. Das ATP liefert bekanntlich den Phosphatrest für die Reaktion der Kinasen. Die Nicotinamidadenindinucleotide übernehmen den Wasserstoff von reduzierten Substraten beziehungsweise dienen als Wasserstoffdonatoren

118

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

Tabelle 1.15: Einige Enzyme, deren Aktivität von anorganischen Ionen abhängig ist Metall

Enzym

Fe2+ oder Fe3+

Cytochrom-Oxidase Katalase

Cu2+

Cytochrom-Oxidase

Zn2+

Alkohol-Dehydrogenase Carboanhydrase Alkalische Phosphatase

Mg2+

Hexokinase Glucose-6-Phosphatase Pyruvat-Kinase

Mn2+

Ribonucleotid-Reductase Arginase

K+

Pyruvat-Kinase

Se

Glutathion-Peroxidase

bei zahlreichen Reaktionen der Oxidoreductasen, wie dies Gleichung 1.10 verallgemeinert darstellt. SH2 + NAD+/NADP+ s S + NADH/NADPH + H+

(Gl. 1.10)

Diese Coenzyme fungieren als wasserlösliche Elektronen-Carrier. (Das H in den Abkürzungen NADH und NADPH steht für ein addiertes Hydrid-Ion (H–), NAD/NADP nehmen je zwei Elektronen und ein Proton auf). Analog dem Substrat gehen die Coenzyme – gleichgültig, ob sie den Charakter eines Cosubstrates oder einer prosthetischen Gruppe haben – aus der enzymatischen Katalyse verändert hervor. Sie müssen daher regeneriert, das heißt in einem cyclischen Prozess wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückgeführt werden. Dies geschieht bei den dissoziablen Coenzymen wie dem NAD in einer etwas anderen Form als bei den fest gebundenen prosthetischen Gruppen. Als Beispiel für letztere sei das Flavinadenindinucleotid betrachtet, das ebenfalls Wasserstoff überträgt, aber vom Enzym nicht abdiffundieren kann. Wie Abbildung 1.54 zeigt, wird für das Regenerieren des NAD/ NADH-Systems ein zweites Enzym gebraucht. Im Falle des FAD-haltigen Enzyms erfolgt die Dehydrierung des bei der Katalyse entstandenen FADH2 mittels molekularen Sauerstoffs, wobei Wasserstoffsuperoxid entsteht. Ein zweites Enzym ist hierzu nicht notwendig, das Regenerieren der prosthetischen Gruppe ist Teil des enzymatischen Prozesses. Die Aminosäure-Oxidasen sind ein Beispiel für eine derartige Reaktionsfolge. Tabelle 1.16 enthält eine Liste der Coenzyme, die an der enzymatischen Katalyse im Stoffwechsel des höheren tierischen Organismus beteiligt sind. Sie sind nach den Reaktionen geordnet, für deren Ablauf sie notwendig sind. Wasserstoffübertragende Coenzyme, gruppenübertragende Coenzyme sowie Coenzyme von Isomerase- und Lyase-

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

119

Tabelle 1.16: Coenzyme Coenzym

Abkürzung

Übertragene Gruppe

I. Wasserstoffübertragende Coenzyme Nicotinamidadenin- NAD+ Wasserstoff dinucleotid NicotinamidadeninNADP+ Wasserstoff dinucleotidPhosphat Flavinmononucleotid FMN Wasserstoff FlavinadeninFAD Wasserstoff dinucleotid Ubichinon Q Wasserstoff Metalloporphyrine – Elektronen Wasserstoff und Liponsäure Lip(S2) Acylgruppen (Ascorbinsäure)* Asc Wasserstoff II. Gruppenübertragende Coenzyme Adenosintriphosphat ATP Phosphat- und AMP-Rest PhosphoadenosinPAPS Sulfat-Rest phosphosulfat Pyridoxalphosphat PLP Aminogruppe Cytidindiphosphat CDP Phosphocholin Uridindiphosphat UDP Zucker, Uronsäure Coenzyme für C1-Transfer S-Adenosylmethionin SAM Tetrahydrofolsäure THF Biotin

–

Coenzyme für C2-Transfer Coenzym A CoA Thiamindiphosphat TPP

Vitamin Nicotinsäureamid Nicotinsäureamid Riboflavin Riboflavin – – – Ascorbinsäure – – Pyridoxin – –

Methylgruppe – Formyl- und andere Folsäure C1-Gruppen Carboxy-Gruppen (CO2) Biotin Acetyl-(Acyl)Gruppe C2-Aldehydgruppe

III. Wirkgruppen der Isomerasen und Lyasen Uridindiphosphat UDP Monosaccharidisomerisierung Pyridoxalphosphat PLP Decarboxylierung Thiamindiphosphat TPP Decarboxylierung Cobalamine Vit.B12 Umlagerung

Pantothensäure Thiamin – Pyridoxin Thiamin Vitamin B12

* Die Coenzymfunktion der Ascorbinsäure ist nicht vollständig geklärt Quelle: Karlson, P., Doenecke, D., Koolman, J. (1994) Kurzes Lehrbuch der Biochemie für Mediziner und Naturwissenschaftler Thieme Verlag 14. Aufl. S. 73 (modifiziert)

Reaktionen bilden die drei Hauptgruppen. Wie aus der Liste zu ersehen ist, gehören die Coenzyme zu sehr unterschiedlichen chemischen Verbindungsklassen. Mehrere Coenzyme sind wasserlösliche Vitamine, beziehungsweise sie enthalten als integralen Bestandteil eines dieser Vitamine. Meistens handelt es sich um modifizierte Abkömmlinge der Vitamine. Auffallend ist, dass fast alle Coenzyme als wesentlichen Bestandteil Phosphatgruppen enthalten, häufig in Form von Nucleotiden.

120

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

B

1.54

Regenerieren wasserstoffübertragender Coenzyme A. NAD/NADH-System; B. FAD/FADH-System; S = dehydriertes Substrat; SH = hydriertes Substrat; E = Enzym

Ein optimales Funktionieren der enzymatischen Katalyse ist nur dann gewährleistet, wenn nicht nur ausreichend Apoenzym vorhanden ist, sondern auch eine entsprechende Menge an Cofaktoren. Den Coenzymen kommt daher ebenfalls eine signifikante regulatorische Funktion zu. Aus der absoluten Notwendigkeit von Cofaktoren für viele Enzyme lässt sich folgern, dass ein Mangel an diesen Faktoren, – der unterschiedliche, zum Beispiel auch alimentäre Ursachen haben kann, – eine messbare Verringerung der Aktivität der betreffenden Enzyme verursacht. Die Bestimmung der katalytischen Effizienz solcher Enzyme dient daher zur Ermittlung des Versorgungszustandes mit einigen Vitaminen. Ein diesbezügliches Beispiel ist die erythrocytäre Transketolase als Indikatorenzym des Versorgungszustandes mit Thiamin (Abschnitt 4.4.2.1). Auf die molekulare Wirkungsweise einiger Vitamine mit Coenzymfunktion wird in Teil 2 des Buches eingegangen. Die chemischen Formeln der Vitamine sind in Abschnitt 4.4.2 erfasst.

1.3.2.4

Die Inhibierung enzymatischer Reaktionen dient ebenfalls der Steuerung des Stoffwechsels

Substrate und Coenzyme sind nicht die einzigen stofflichen Faktoren, die auf die Geschwindigkeit der enzymatischen Katalyse Einfluss ausüben. Vielmehr gibt es eine sehr große Anzahl von weiteren organischen Verbindungen – und auch von anorganischen Ionen –, die die Enzymaktivität im positiven und negativen Sinne beeinflussen. Die negativen Effektoren enzymatischer Reaktionen werden als Hemmstoffe oder Inhibitoren bezeichnet. Es kann sich dabei um Inhibitoren mit speziellen physiologischen Funktionen, zum Beispiel um Proteinase-Inhibitoren handeln, weiterhin um Metaboliten, die im Stoffwechsel selbst entstehen, aber auch um die große Gruppe der Xenobiotica, die unbeabsichtigt, oder – wie die Pharmaka – beabsichtigt in den Organismus gelangen. Es gibt zwei grundsätzlich unterschiedliche Möglichkeiten, eine enzymkatalysierte Reaktion zu hemmen. Im ersten Fall blockiert ein Inhibitor den katalytischen Prozess durch direkte Interaktion mit reaktiven Gruppen im aktiven Zentrum, die für den en-

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

1.55

Typen der Hemmung enzymatischer Reaktionen S = Substrat; I = Inhibitor; E = Enzym

121

122

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

1.56

Einfluß eines kompetitiven und eines nicht kompetitiven Inhibitors auf Vmax und Km der enzymatischen Reaktion A. Kompetitive Hemmung in der Michaelis-Menten-Darstellung; B. Kompetitive Hemmung in der Lineweaver-Burk-Darstellung; C. Nicht kompetitive Hemmung in der LineweaverBurk-Darstellung; v = Reaktionsgeschwindigkeit; Vmax = maximale Reaktionsgeschwindigkeit; Km = MichaelisKonstante; [I1], [I2] = Inhibitorkonzentration

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

123

zymatischen Umsatz wesentlich sind. Diese Kategorie von Inhibierungen wird im folgenden besprochen. Im zweiten Fall interagiert der Hemmstoff nicht mit dem katalytischen Zentrum, sondern mit einer zweiten Bindungsstelle am Enzymprotein, mit der allosterischen Bindungsstelle. Diese Interaktion führt zu einer Konformationsänderung des Enzymproteins mit der Konsequenz einer indirekten Beeinflussung des aktiven Zentrums. Diese für die Steuerung des Stoffwechsels außerordentlich wichtige allosterische Regulation wird in Abschnitt 1.3.2.5 berücksichtigt. Die Inhibierung von Enzymen durch direkte Interaktion des Hemmstoffs mit dem aktiven Zentrum weist drei unterschiedliche Hemmtypen auf: erstens die kompetitive, zweitens die nicht kompetitive und drittens die unkompetitive Hemmung. Ihr Zustandekommen ist in Abbildung 1.55 schematisch dargestellt. Im Falle der kompetitiven Hemmung konkurriert ein dem Substrat strukturell ähnliches Molekül, ein Analogon, das jedoch nicht umgesetzt werden kann, um die Substratbindungsstelle. Bei ausreichender Menge des Inhibitors kann dieser das Substrat vom aktiven Zentrum vollständig verdrängen und damit die Reaktion verhindern. Andererseits lässt sich der Inhibitor durch einen hohen Substratüberschuss von der Substratbindungsstelle durch Kompetition verdrängen und die Hemmung aufheben. Bei der nicht kompetitiven Hemmung reagiert der Hemmstoff mit einer für die katalysierte Reaktion essentiellen Gruppe des aktiven Zentrums, wobei diese Gruppe mit der Substrat-bindenden Gruppe nicht identisch ist. Der Inhibitor dieses Hemmtyps ist kein Substratanalogon und kann sich sowohl an das freie Enzym als auch an den Enzym-Substrat-Komplex binden. Der Inhibitor verhindert in diesem Falle also nicht die Bindung des Substrates im aktiven Zentrum, unterbindet jedoch dessen Umsatz, je nach Quantität ganz oder teilweise. Typischerweise tritt dieser Hemmtyp bei Bisubstratreaktionen auf, bei denen das aktive Zentrum reaktive Gruppen für zwei Substrate aufweist. Bei der selten auftretenden unkompetitiven Hemmung interagiert der Inhibitor nur mit dem Enzym-Substrat-Komplex unter Bildung eines nicht umsetzbaren ternären Komplexes. Die Kinetik einer enzymatischen Reaktion lässt sich in Gegenwart und in Abwesenheit eines Inhibitors mathematisch und graphisch analysieren. Damit kann man die einzelnen Hemmtypen voneinander unterscheiden. Bei Einsatz eines kompetitiven Inhibitors erhält man bei der Michaelis-Menten-Auftragung die in Abbildung 1.56A dargestellte Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Substratkonzentration. Bei doppeltreziproker Auftragung der Daten nach Lineweaver-Burk (Abbildung 1.56B) zeigt sich deutlich, dass sich in Gegenwart des Inhibitors die effKm erhöht, während die effVmax mit und ohne Inhibitor gleich ist. Wendet man die Lineweaver-Burk-Auftragung auf den Fall eines nicht kompetitiven Inhibitors an (Abbildung 1.56C), wird deutlich, dass in diesem Fall die Michaelis-Konstante gleich bleibt, die effVmax dagegen je nach Inhibitor-Konzentration mehr oder minder stark erniedrigt ist. Die kinetische Analyse der Daten, die sich ohne beziehungsweise mit Inhibitor ergeben, erlaubt also, den Hemmtyp zu bestimmen. Analog der Michaelis-Konstante Km lässt sich auch eine Hemmkonstante Ki, errechnen. Je fester sich der Hemmstoff an das Enzym bindet, umso niedriger ist der Wert von Ki. Die Wirkung der bisher besprochenen Inhibitoren ist reversibel. Es gibt jedoch auch Hemmstoffe, die Enzyme irreversibel inhibieren. Diese binden sich meistens kovalent an das Enzymprotein und blockieren die Umsetzung endgültig. Eine spezielle Gruppe irreversibler Hemmstoffe bilden die Selbstmord-Inhibitoren. Die ursprünglich relativ wenig reaktiven Verbindungen binden sich an das aktive Zentrum bestimmter Enzyme. Die ersten Schritte der enzymatischen Reaktion finden statt, aber anstelle der Bildung des normalen Produktes der betreffenden Reaktion wird der Selbstmord-Inhibitor in

124

Teil I: Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene

eine stark reaktive Verbindung umgewandelt, die sich irreversibel an das Enzym bindet und weitere Reaktionen blockiert. Zu derartigen Inhibitoren gehören manche Pharmaka beispielsweise das Penicillin, das auf diese Weise die Synthese der Zellwand mancher Bakterien blockiert. Selbstmord-Inhibitoren können auch eine physiologische Rolle haben, zum Beispiel der α1-Proteinase-Inhibitor, der verschiedene Blutgerinnungsfaktoren und andere Serin-Proteasen hemmt. Das Studium der Hemmung enzymatischer Reaktionen gibt in bestimmten Fällen Aufschluss über den katalytischen Mechanismus von Reaktionen sowie über die molekulare Struktur des aktiven Zentrums. Weiterhin kann man auf diesem Weg wertvolle Informationen über die Regulation von Stoffwechselketten erhalten.

1.3.2.5

Allosterische Modulatoren interagieren mit einer zweiten Bindungsstelle des Enzymproteins

Die durch die Michaelis-Menten-Gleichung beschriebene Beziehung zwischen Substratkonzentration und Enzymaktivität gilt für die Mehrzahl der Enzyme, aber keineswegs für alle. Es gibt eine Reihe von Enzymen, insbesondere solche mit regulatorischer Funktion, die ein anderes kinetisches Verhalten zeigen und zur Kategorie der allosterischen Enzyme gehören. Die Bezeichnung allosterisch (griechisch: anderer Ort) weist darauf hin, dass diese Enzyme außer der Substratbindungsstelle noch eine weitere – gelegentlich auch mehrere weitere – Bindungsstelle(n) für allosterische Effektoren (Modulatoren) haben. Man unterscheidet homotrope Effektoren, die mit dem Substrat identisch sind und sich sowohl an das aktive Zentrum als auch an die allosterische Bindungsstelle anlagern, und heterotrope Effektoren, die sich ausschließlich an die allosterische Bindungsstelle binden. Homotrope Modulatoren haben stets eine positive Wirkung auf die enzymatische Katalyse, heterotrope Modulatoren können entweder einen positiven oder einen negativen Effekt ausüben. Allosterische Modulatoren werden stets nicht kovalent gebunden. Es gehört zu den Charakteristika der allosterischen Enzyme, dass sie (fast) immer aus mehreren identischen, oder nicht identischen Untereinheiten bestehen, das heißt eine Quartärstruktur aufweisen. Die Anlagerung eines allosterischen Effektors an die allosterische Bindungsstelle führt zu einer Konformationsänderung des Enzymproteins, die sich über das gesamte Molekül fortpflanzt und sich auch dem aktiven Zentrum mitteilt. Damit ändert sich die Aktivität des Enzyms im Sinne einer Erhöhung oder einer Erniedrigung – je nachdem, ob der Effekt von einem positiven oder einem negativen Modulator ausgelöst wird. Die Konformationsänderung spielt sich nicht nur innerhalb der einzelnen Untereinheit ab, sondern betrifft auch die weiteren Untereinheiten eines Enzyms mit Quartärstruktur im Sinne eines kooperativen Verhaltens. Das Phänomen der Kooperativität ist wesentlich für das Zustandekommen allosterischer Effekte bei der enzymatischen Katalyse. Das kooperative Verhalten ist allerdings nicht auf Enzyme beschränkt, sondern wird auch bei Proteinen mit Quartärstruktur, die keine Enzyme sind, beobachtet. Ein physiologisch relevantes Beispiel ist das kooperative Verhalten des Hämoglobins: Nach initialer Bindung von Sauerstoff steigt die Affinität des Hämoglobins zu weiteren Sauerstoffmolekülen stark an. Es soll auch nicht unerwähnt bleiben, dass auch Enzyme mit Quartärstruktur bekannt sind, deren Untereinheiten sich gegenseitig nicht beeinflussen, da sie keine allosterischen Bindungsstellen haben. Wie bereits erwähnt, lässt sich die Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Substratkonzentration im Falle der allosterischen Enzyme nicht durch die Michaelis-Men-

1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten

1.57

125

Reaktionskinetik eines allosterischen Enzyms a: ohne allosterischen Effektor; b: mit allosterischem Aktivator; c: mit allosterischem Inhibitor; Vmax = maximale Reaktionsgeschwindigkeit; Km = Michaelis-Konstante; S = Substrat

ten-Gleichung beschreiben. Trägt man die Reaktionsgeschwindigkeit gegen die Substratkonzentration auf, so erhält man bei allosterischem Verhalten – wie aus Abbildung 1.57 ersichtlich – keine Hyperbel, sondern eine sigmoidale Beziehung, die durch Gleichung 1.11, die Hill-Funktion, erfaßt wird. h

v=

Vmax × [S]

h

K 0,5 + [S]

(Gl. 1.11)

wobei v die Reaktionsgeschwindigkeit, Vmax die Maximalgeschwindigkeit, h den Hill-Koeffizienten und K0,5 diejenige Substratkonzentration bezeichnet, bei der die halbmaximale Reaktionsgeschwindigkeit erreicht ist. Die Steigung der sigmoidalen Substratsättigungskurve ist ein Maß für die Affinität zwischen Enzym und Substrat. Bei allosterischen Enzymen nimmt die Steigung mit steigender Substratkonzentration zunächst zu, bei höherer Substratkonzentration wieder ab. Die Affinität der allosterischen Enzyme variiert also mit der Substratkonzentration. Das heißt K0,5 ist zwar dem Km-Wert analog, jedoch keine Konstante. Der sigmoidale Verlauf der Kurve wird durch den Hill-Koeffizienten h beschrieben. Im Falle einer positiven Kooperativität ist h>1, bei negativer Kooperativität ist h 1 Saccharid (u. a. Neuraminsäure) von Neuronen

Besprechung unter organspezifischem Stoffwechsel siehe Abschnitt 1.4.5 siehe Abschnitt 1.4.7 siehe Abschnitt 1.1.1

224

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Tabelle 4.3: Fettsäuren, die in pflanzlichen und tierischen Fetten vorkommen Chemische Bezeichnung

Trivialname

Anzahl C-Atome

Doppelbindungen Anzahl Position

Butansäure

Buttersäure

4

0

Isopentansäure

Isovaleriansäure

5

0

Hexansäure

Capronsäure

6

0

Octansäure

Caprylsäure

8

0

Decansäure

Caprinsäure

10

0

Dodecansäure

Laurinsäure

12

0

Tetradecansäure

Myristinsäure

14

0

Hexadecansäure

Palmitinsäure

16

0

Octadecansäure

Stearinsäure

18

0

Octadecensäure

Ölsäure

18

1

䊱9 cis-䊱

Octadecadiensäure

Linolsäure

18

2

䊱9,12

Octadecatriensäure

Linolensäure

18

3

䊱9,12,15

n-Eicosansäure

Arachinsäure

20

0

Eicosatetraensäure*

Arachidonsäure

20

4

Docosansäure

Behensäure

22

0

Tetracosansäure

Lignocerinsäure

24

0

Tetracosensäure

Nervonsäure

24

1

䊱5,8,11,14

䊱15

für den Menschen essentielle Fettsäuren; Symbol 䊱x,y,z = Position der Doppelbindung; cis = Konfiguration der Doppelbindung * semi-essentiell (Abschnitt 10.2.1.3)

4.3 Kein anderes Biomolekül übertrifft die funktionelle Vielfalt der Proteine Die Bezeichnung Protein leitet sich vom griechischen proteios, das heißt „erstrangig“ ab. Durch diesen Begriff charakterisierte der schwedische Chemiker Berzelius bereits 1838 sehr treffend die Wichtigkeit dieser für alle lebenden Systeme unentbehrlichen Stoffklasse. Ihre zentrale Stellung resultiert im Endeffekt daraus, dass die genetische Information in Form von Proteinen ausgedrückt wird. Aufgrund ihrer Strukturvielfalt

4 Die Nährstoffe

225

und Flexibilität beteiligen sich die Proteine an allen vitalen Prozessen. Sie sind Baustoffe unter anderem der biologischen Membranen, der kontraktilen Strukturen und der extrazellulären Matrix. Sie fungieren in Form von Enzymen als Biokatalysatoren, dienen als Hormone und Rezeptoren der Informationsübermittlung und steuern auch sonst in vielfältiger Art die Lebensprozesse jeder Zelle. Sie dienen als Transportvermittler für hydrophobe Moleküle, wie beispielsweise das Hämoglobin beim Sauerstofftransport (Abschnitt 8.4). Beim Menschen und bei höheren Tieren repräsentieren die Proteine den Hauptanteil der organischen Makromoleküle. Ein 70 kg schwerer Mann hat einen Proteinbestand von etwa 10 kg. Die Anzahl der unterschiedlichen Proteine, die im menschlichen Organismus vorkommen, wird auf mehr als 50 000 geschätzt. Eine ähnliche Proteinvielfalt ist in pflanzlichen und tierischen Organismen und somit auch in der Nahrung des Menschen anzunehmen. Eine nach chemischen Gesichtspunkten befriedigende Klassifizierung der Proteine scheint nicht möglich zu sein. Üblicherweise unterscheidet man zwischen den einfachen Proteinen, die ausschließlich aus Aminosäuren bestehen, und den zusammengesetzten Proteinen, die außer den Aminosäuren noch sonstige Bestandteile enthalten. Diese können Nucleotide, Mono- und Polysaccharide, Porphyrine, Flavine, Lipide und Metalle sein. Man bezeichnet diese chemisch sehr unterschiedlichen Substanzen, die kovalent oder nicht kovalent an die Proteine gebunden sind, als prosthetische Gruppen. Man benutzt als Einteilungsprinzip auch die Form des Proteinmoleküls. Danach unterscheidet man die kugelförmigen globulären Proteine, die gut wasserlöslich sind und die schlecht löslichen langgestreckten fibrillären Proteine, auch Skleroproteine genannt. Zur ersten Gruppe gehören die Enzymproteine, Plasmaproteine und Proteohormone sowie das Hämoglobin und Myoglobin, zur zweiten Gruppe die Strukturproteine wie Kollagen, Fibrinogen und andere. Aufgrund von Sequenzhomologien lassen sich Proteine häufig zu Großfamilien zusammenfassen, deren Mitglieder jedoch sehr unterschiedliche Funktionen haben können. Wie fast alle Makromoleküle der Lebewesen befinden sich die Proteine des menschlichen Organismus in einem dynamischen Gleichgewicht. Sie werden also abgebaut und müssen entsprechend durch Biosynthese ersetzt werden. Man schätzt, dass ein Erwachsener täglich 300 g Protein neu synthetisieren muss. Die biologische Halbwertszeit verschiedener Proteine ist recht unterschiedlich und kann bei Eukaryoten zwischen einer halben Minute und vielen Tagen liegen. Der Eiweißkatabolismus ist stets mit Verlusten an Proteinbausteinen, das heißt Aminosäuren verbunden. Die Zufuhr von Proteinen mit der Nahrung ist daher lebensnotwendig. Der Proteinbedarf ist im Grunde genommen ein Bedarf an Aminosäuren, zumal alle anabolen und katabolen Wege des Proteinstoffwechsels stets mit freien Aminosäuren beginnen bzw. enden. Da jedoch in Nahrungsmitteln die Aminosäuren praktisch vollständig Bestandteile von Proteinen sind, spricht man von Proteinbedarf. Nach einer wenig verbindlichen Empfehlung soll die wünschenswerte Zufuhr an Proteinen 12 bis 14 % des Energiebedarfs betragen. Bei Abschätzung des Proteinbedarfs fällt die „biochemische Individualität“ des Einzelnen wahrscheinlich stärker ins Gewicht als bei anderen Nährstoffen. Der Proteinbedarf hängt außer von der Qualität des Nahrungsproteins auch von der weiteren Zusammensetzung, insbesondere vom Kohlenhydratgehalt, der Nahrung ab. Weiterhin spielen zahlreiche physiologische Faktoren eine Rolle. Die Berechnung des Proteinbedarfs war Jahrzehnte hindurch ein zentrales Thema der Ernährungsphysiologie und hat bis heute nicht an Interesse verloren. Sie wird in den einschlägigen Lehrbüchern detailliert behandelt.

226

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Im Gegensatz zu Fett und Kohlenhydraten werden Proteine beim Menschen nicht gezielt als Energiereserve gespeichert. Trotzdem kann der Organismus bei entsprechender Anforderung auf einen gewissen Anteil der funktionellen Proteine, der bis zu 2 kg betragen kann, verzichten und das Protein energetisch verwerten.

4.3.1 Zwanzig proteinogene L-Aminosäuren sind Bausteine aller Proteine Proteine sind Polymere von Aminosäuren. Bei dieser Polymerisation verbindet sich bekanntlich die Carboxylgruppe einer Aminosäure unter Abspaltung von Wasser mit der α-Aminogruppe einer anderen Aminosäure. Die dabei entstandene Säureamidbindung wird als Peptidbindung bezeichnet. Die Zahl der Aminosäuren in einer solchen Kette kann recht unterschiedlich sein. Man ist übereingekommen, Verbindungen aus 2 bis 9 Aminosäuren als Oligopeptide, aus 10 bis 100 Aminosäuren als Polypeptide und aus mehr als 100 Aminosäuren als Proteine zu bezeichnen. Diese Grenzziehung ist jedoch willkürlich und weder chemisch noch funktionell untermauert. Vom evolutionären Standpunkt ist es hochinteressant, dass alle Lebewesen – vom Prokaryoten bis zum Menschen – einen identischen Satz von 20 L-α-Aminocarbonsäuren durch Translation in die Proteine einbauen. Diese hochkonservierten proteinogenen Aminosäuren sind – nach ihren Seitenketten geordnet – in Abbildung 4.2 zusammengefasst. Prinzipiell könnte sich jede der 20 proteinogenen Aminosäuren mit jeder anderen in beliebiger Reihenfolge verbinden. Bereits bei einer Kettenlänge von 100 Aminosäuren ergeben sich 20100, das heißt 1013 verschiedene Kombinationen. Diese an sich schon unvorstellbar hohe Zahl steigt bei Verlängerung der Kette ins Astronomische. Natürlich wird diese prinzipiell mögliche Anzahl von Proteinen nicht realisiert. Es entstehen jeweils nur jene Proteine, die durch die Sequenzinformation der DNA für einen bestimmten Organismus genetisch festgelegt sind. Beim Menschen dürften es – wie bereits erwähnt – schätzungsweise 50 000, vielleicht auch 100 000 sein. Außer der α-ständigen Carboxyl- und Aminogruppe besitzen die Aminosäuren unterschiedliche, zum Teil dissoziable Seitenketten. Diese sind für die strukturelle und funktionelle Vielfältigkeit der Proteine von besonderer Bedeutung. Beispiele solcher funktioneller Gruppen sind die seitenständige ε-Aminogruppe des Lysins, die Guanidinogruppe des Arginins und die Carboxylgruppe von Aspartat und Glutamat. Eine weitere wichtige funktionelle Gruppe ist der endständige Imidazolrest des Histidins. Die Sequenz der durch Peptidbindungen miteinander verbundenen Aminosäuren wird als Primärstruktur eines Peptids beziehungsweise Proteins bezeichnet. Bereiche der Peptidkette mit definierter Konformation, die durch H-Brücken stabilisiert werden, ergeben die Sekundärstruktur. Die dreidimensional gefaltete, meistens auch biologisch aktive Konformation eines Proteins wird Tertiärstruktur genannt. Es gibt Proteinmoleküle, die auch eine Quartärstruktur ausbilden, indem sich einzelne Monomere durch nicht-kovalente Wechselwirkungen zu symmetrischen Komplexen zusammenlagern. Meistens hat die Bildung solcher Oligomere aus identischen oder nicht-identischen Monomeren auch eine funktionelle Bedeutung.

4 Die Nährstoffe

227

Aminosäuren mit unverzweigter und verzweigter aliphatischer Seitenkette H Glycin (Gly/G)

α-Aminoessigsäure (75)

-

OOC C

H

+

NH3

Alanin (Ala/ A )

CH3

α-Aminopropionsäure (89)

Valin (Val/ V)

CH

α-Aminoisocapronsäure (131)

Leucin (Leu/L)

CH2

Isoleucin (Ile/I )

CH3

α-Aminoisovaleriansäure (117)

α-Amino-β-methylvaleriansäure (131)

CH3 CH3

CH

CH3

CH

CH3

CH2 CH3

Aminosäuren mit einer Seitenkette, die eine Hydroxylgruppe enthält Serin (Ser/S) CH OH

α-Amino-β-hydroxypropionsäure (105)

2

Threonin (Thr/ T)

OH

α-Amino-β-hydroxybuttersäure (119)

CH

CH3

Aminosäuren mit einer Seitenkette, die ein Schwefelatom enthält Cystein (Cys/C) CH2

α-Amino-β-mercaptopropionsäure (121)

Methionin (Met/M)

α-Amino-γ- methylmercaptobuttersäure (149)

SH

CH2 CH2

S

CH3

Aminosäuren mit einer Seitenkette, die eine Carboxylgruppe oder deren Amid enthält Aspartat(Asp/D) α-Aminobernsteinsäure (133)

CH2 COO

Asparagin (Asn/N)

CH2

γ-Amid der α-Aminobernsteinsäure (132)

Glutamat (Glu/E )

CONH2 -

CH2 CH2 COO

α-Aminoglutarsäure (147)

Glutamin (Gln/Q)

CH2

δ -Amid der α-Aminoglutarsäure (146)

CH2

CONH2

Aminosäuren mit einer Seitenkette, die eine Aminogruppe enthält + NH Arginin (Arg/R)

α-Amino- δ- guanidinvaleriansäure (174)

CH2 CH2

Lysin (Lys/ K )

CH2

α,ε-Diaminocapronsäure (146)

CH2 NH

C

NH2

+

CH2 CH2 CH2 NH3

Aminosäuren mit einer aromatischen Seitenkette

Histidin (His/ H)

CH2 C

CH

N

NH

α-Amino- ß - imidazolpropionsäure (155)

C H CH2

Tryptophan (Trp/W )

α-Amino-β-indolylpropionsäure (204)

N

H

Phenylalanin (Phe/ F)

α-Amino-β-phenylpropionsäure (165)

CH2

Tyrosin (Tyr/ Y)

CH2

α-Amino-β-(p-hydroxy)phenylpropionsäure (181)

OH

Aminosäuren mit cyclischem Aufbau Prolin (Pro/P)

α-Pyrrolidincarbonsäure (115)

H -

OOC C +

H2N

4.2

CH2 CH2 CH2

Die proteinogenen Aminosäuren des Menschen. Trivialname; (3-/1-Buchstaben-Abkürzung); chemische Bezeichnung; (Molekulargewicht in Da). Quelle: Löffler, G., Petrides, P. E. (1997) Biochemie und Pathobiochemie. 5. Aufl. Springer Vlg., S. 35

228

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

EXKURS 4.1 Von der Peptidkette zum biologisch aktiven Protein Die biologische Aktivität von Proteinen ist in den meisten Fällen darauf zurückzuführen, dass sie die Fähigkeit haben, andere Moleküle zu erkennen und mit ihnen zu interagieren. Um derartige Funktionen ausüben zu können, müssen sie eine spezifische, meist komplizierte räumliche Konformation aufweisen. Polypeptide werden jedoch aus den Ribosomen als einfache ungefaltete Aminosäureketten freigesetzt. Die hoch komplexe Architektur, die für jedes einzelne funktionstüchtige Protein charakteristisch ist, muss erst durch den Prozess der Proteinfaltung geschaffen werden. Wie in Abbildung 1 schematisch dargestellt, lässt die Architektur der Proteine vier Strukturebenen erkennen, die sich aufeinander aufbauen. Die Sequenz der Aminosäuren bezeichnet man als Primärstruktur (a). Die Sekundärstruktur (b) tritt in zwei Varianten auf: als α-Helix und als β-Faltblatt. Die Windungen beziehungsweise Faltungen dieser Gebilde resultieren aus Wasserstoffbrücken, die in regelmäßigen Abständen entlang der Peptidkette auftreten. Obwohl die einzelnen Wasserstoffbrücken schwach sind, üben sie durch die vielfache Wiederholung entlang eines relativ langen Abschnittes der Polypeptidkette eine formende Wirkung auf diesen Abschnitt aus. Es entsteht die feine Spirale der α-Helix, die zwischen jeder vierten Peptidbindung durch eine Wasserstoffbrücke zusammengehalten wird. Oder es bildet sich ein β-Faltblatt aus, bei dem die Polypeptidkette sich entweder hin- und zurückfaltet, oder zwei Abschnitte der Kette parallel zueinander verlaufen. Zwischen den parallelen Abschnitten halten wiederum Wasserstoffbrücken die Struktur zusammen.

Abb. 1 Die vier Ebenen der Proteinstrukturen

䊳

4 Die Nährstoffe

229

In der Tertiärstruktur (c) sind Sekundärstrukturmuster, das heißt α-Helices und β-Faltblätter in einer definierten räumlichen Ordnung zusammengefügt. Die unregelmäßigen Windungen der Tertiärstruktur werden durch chemische Bindungen zwischen den Seitenketten der Aminosäuren stabilisiert. In Abbildung 2 sind die häufigsten Bindungen, die zur Tertiärstruktur eines Proteins beitragen, dargestellt. Hierzu gehören hydrophobe Wechselwirkungen (van-der-Waals-Kräfte). Bei der Faltung eines Polypeptids konzentrieren sich Aminosäuren mit hydrophoben Seitenketten normalerweise im Inneren des Proteins, wo kein Kontakt mit Wasser besteht. Ihr gegenseitiger Wasserausschluss hält sie in Clustern zusammen. Weiterhin tragen Wasserstoffbrücken zwischen den Seitenketten bestimmter Aminosäuren sowie Ionenbindungen zwischen positiv und negativ geladenen Seitenketten zur Stabilisierung der Tertiärstruktur bei. Die Summe dieser im Einzelnen schwachen Kräfte formt zu einem wesentlichen Anteil die spezifische Gestalt der Tertiärstruktur eines Proteins. Die Konformation kann durch feste kovalente Bindungen der Disulfidbrücken, die sich zwischen den Sulfhydrylgruppen zweier Cysteinreste ausbilden, weiter verstärkt werden. Meistens kooperieren alle der genannten Bindungsarten beim Zustandekommen der Tertiärstruktur eines Proteins. Eine weitere Ebene, die Quartärstruktur, tritt dann in Erscheinung, wenn sich mehrere, häufig identische Polypeptidketten zu einem funktionsfähigen Komplex assoziieren.Voraussetzung für die Zusammenlagerung sind bestimmte komplementäre Bereiche auf der Oberfläche der Proteine, mit deren Hilfe sie sich gegenseitig „erkennen“ und zusammenlagern können. Es gehört zu den interessantesten Fragestellungen der Proteinbiochemie, wie der Prozess der Proteinfaltung, in dessen Verlauf aus einer Peptidkette die biologisch wirksame Form eines Proteins entsteht, gesteuert wird. Prinzipiell wird die Tertiärstruktur von Proteinen durch ihre Aminosäuresequenz bestimmt und ist somit genetisch determiniert. Die meisten Proteine falten sich jedoch nicht spontan in ihre endgültige Struktur, sondern über Zwischenstufen, die unstrukturierte Bereiche be-

hydrophobe Wechselwirkung CH CH2 O Wasserstoff- H brücke

H3C

CH3

H3C

CH3

Polypeptidrückgrat

CH

O C

OH

CH2

CH2 S S CH2 Disulfidbrücke

O CH2

CH2

CH2

CH2

NH3+

-O

Ionenbindung

C

CH2

Abb. 2 Die häufigsten chemischen Bindungen zur Stabilisierung der Tertiärstruktur von Proteinen

䊳

230

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

sitzen und durch komplexe Mechanismen in die endgültige biologisch aktive Form überführt werden. Feststeht, dass sich die Proteine nicht durch ein zufälliges „Ausprobieren“ aller möglichen Konformationen falten, da dies bei der hohen Zahl der Möglichkeiten außerordentlich lange dauern würde.Tatsächlich ist die Proteinfaltung ein sehr schneller Prozess, der über eine fortschreitende Stabilisierung von Zwischenprodukten verläuft. Wie kinetische Untersuchungen über die Proteinfaltung gezeigt haben, entstehen als frühe Zwischenstufen zunächst molten globules („geschmolzene Kügelchen“), die bereits Teile der Sekundärstruktur enthalten. Zwischen diesen finden schnell wechselnde Interaktionen statt. Die Triebkräfte zur Entstehung der molten globules sind hydrophobe Wechselwirkungen. Von zentraler Bedeutung bei der Proteinfaltung ist die Ausbildung von α-Helices und von β-Strängen. Die einzelnen Aminosäuren neigen unterschiedlich stark zur Bildung von α-Helices, von β-Strängen und von Haarnadelschleifen. Alanin und Leucin fördern die Bildung von α-Helices, Valin und Isoleucin bevorzugen die β-Faltenbildung, Glycin und Prolin die Schleifenbildung. In der Sekundärstruktur der meisten Proteine machen α-Helices und β-Stränge mehr als 60% der Struktur aus. Diese Elemente vereinigen sich zu Faltungsmotiven, (Supersekundärstrukturen), wie VierHelix-Bündeln und β-Haarnadelschleifen. Die Bildung von α-Helices erfolgt innerhalb weniger Millisekunden, während Tertiärstrukturen wesentlich langsamer entstehen. Verschiedene Regionen eines Proteins werden im Verlauf der Faltung zu unterschiedlichen Zeitpunkten stabilisiert. Meistens wird eine α-helicale Domäne vor der β-Faltblatt-Domäne gebildet. Für experimentelle Zwecke kann die Faltung von Peptidketten auch in vitro studiert werden. Dabei zeigt sich, dass der Faltungsprozess in vivo um Größenordnungen schneller verläuft als in vitro. Dies liegt daran, dass er in der Zelle durch Katalysatoren unterstützt wird, die das Zustandekommen der Raumstruktur, die durch die Aminosäuresequenz vorgegeben ist, stark beschleunigen. Einer dieser Katalysatoren ist die Proteindisulfid-Isomerase, ein dimeres Enzym, das vier thioredoxinartige Domänen enthält. Durch Thioloxidation und Umlagerung von Disulfidbrücken trägt dieses Enzym zur korrekten Faltung von Proteinen bei und beschleunigt diesen Prozess erheblich. Bereits vorhandene „falsche“ Disulfidbrücken werden gespalten und neue geknüpft. Der Endzustand ist dann erreicht, wenn die thermodynamisch stabilste Form des Proteins erreicht ist. Prolyl-cis-trans-Isomerasen katalysieren die Isomerisierung der Peptidyl-Prolyl-Bindungen. Üblicherweise liegen in Proteinen fast alle Peptidbindungen in der trans-Konformation vor. Eine Ausnahme bilden die Peptidbindungen, an denen Prolin beteiligt ist. Etwa 6% von diesen weisen eine cis-Konfiguration auf, was die Ausbildung von β-Schleifen ermöglicht. Die Gleichgewichtseinstellung dieser Isomerie wird durch die Prolyl-cis-trans-Isomerase katalysiert. Die wichtigsten Katalysatoren der Peptidfaltung sind die molekularen Chaperone, die zu den sogenannten Hitzeschock-Proteinen gehören. Die vermehrte Synthese dieser Proteine wird nicht nur durch einen Hitzeschock ausgelöst, sondern – auf noch völlig unbekannte Weise – auch dann, wenn die Zahl der nicht oder fehlerhaft gefalteten Proteine in einer Zelle zunimmt. Man nimmt an, dass die Chaperone physiologischerweise die Funktion haben, das Erreichen des korrekt gefalteten Zustandes der Proteine zu beschleunigen. Alle Familien der Hitzeschock-Proteine – Hsp70, Hsp60 und Hsp90 – enthalten Vertreter, die auch in Eukaryotenzellen als Chaperone wirken und zwar ortsspezifisch entweder im Cytosol oder im endoplasmatischen Reticulum oder in den Mitochondrien. Es handelt sich um stark konservierte Proteine, die in allen Organismen vorkommen und ATP-ase-Aktivität besitzen. Die Hauptfunktion der Chaperone dürfte sein, zur Aggregation führende unerwünschte Wechselbeziehungen zwischen Proteinen zu verhindern. (Diese Wirkung

䊳

4 Die Nährstoffe

231

führte zur zutreffenden Bezeichnung chaperon = „Anstandsdame“). Weiterhin katalysieren einige der Chaperone die Faltung frisch synthetisierter oder frisch importierter Proteine. Auch Proteinaggregate, die durch thermische Denaturierung entstehen, können durch Chaperone aufgelöst werden. Die Faltung von Proteinen steht in kinetischem Wettlauf mit cotranslationalen Abbaumarkierungen und vorzeitiger Recyclisierung. Mehr als 50% der wachsenden Proteine, die ein aminoterminales Abbausignal enthalten, werden während der Translation abgebaut, so dass sie niemals zur Ausreifung kommen. Kleine Proteine scheinen weniger betroffen zu sein als große. Da die Faltung eines Proteinmoleküls während oder kurz nach dem Austritt aus dem Ribosomenkanal stattfindet, kann der cotranslationale Abbau eine Art Qualitätskontrolle sein, durch die solche Proteine eliminiert werden, die nicht rasch genug „richtig“ gefaltet haben.

In Tabelle 4.4 sind die 20 Aminosäuren, die der Mensch zur Proteinbiosynthese benötigt, in drei Gruppen eingeteilt: 1. unbedingt essentielle; 2. bedingt essentielle und 3. nichtessentielle Aminosäuren. Eine quantitativ ausreichende* Zufuhr der unbedingt essentiellen Aminosäuren mit der Nahrung ist lebensnotwendig, da sie zwar von Mikroorganismen und Pflanzen, nicht jedoch vom Menschen synthetisiert werden. Die Fähigkeit zur Synthese dieser Aminosäuren ging beim höheren Tier im Verlauf der Evolution verloren. Die reichlich vorhandene pflanzliche Nahrung enthielt wohl ausreichende Mengen dieser Nährstoffe. Somit erübrigte sich die komplizierte Synthese, die mindestens 5 – beim Tryptophan sogar 11 – enzymatische Schritte umfasst. Der Verzicht auf die Eigensynthese bedeutete Material- und Energieersparnis und damit einen Selektionsvorteil für „Mangelmutanten“, bei denen als Folge von Genmutationen die Expression bestimmter Enzymproteine der Synthesekette eingestellt wurde. Tyrosin und Cystein gelten als bedingt essentielle Aminosäuren, da das Tyrosin aus Phenylalanin und das Cystein aus Methionin auch im Stoffwechsel des Menschen entstehen können (Abschnitt 9.4.3.2). Bedingung für eine ausreichende Umwandlung der beiden unbedingt essentiellen Aminosäuren in Tyrosin beziehungsweise in Cystein ist allerdings, dass sie in der Nahrung in ausreichender Menge vorhanden sind. Ist dies nicht der Fall, wird die alimentäre Zufuhr von Tyrosin und Cystein lebensnotwendig. Tabelle 4.4: Für den Menschen essentielle und nicht essentielle Aminosäuren Essentiell:

Valin, Leucin; Isoleucin Threonin, Methionin Lysin, Histidin3) Phenylalanin, Tryptophan

Bedingt essentiell:

Cystein1), Tyrosin2)

Nicht essentiell:

Glycin, Alanin, Serin Aspartat, Asparagin Glutamat, Glutamin Prolin, Arginin3)

1) 2) 3)

Synthese teilweise aus Methionin möglich Synthese teilweise aus Phenylalanin möglich möglicherweise bedingt essentiell

* Über den Bedarf an einzelnen essentiellen Aminosäuren informieren die Lehrbücher der Ernährungsphysiologie.

232

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Die nichtessentiellen Aminosäuren können im Stoffwechsel des Menschen insbesondere durch Transaminierung und/oder NH3-Fixierung (Aminierung) entsprechender Ketosäuren gebildet werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, ihre Abbauwege umzukehren, wobei aus regulatorischen Gründen für den anabolen und den katabolen Weg unterschiedliche Enzyme eingesetzt werden. Außer den 20 „klassischen“ Aminosäuren, für die eigene Codons existieren, wird als 21. Aminosäure das Selenocystein in einige Proteine eingebaut. Dabei findet eine ungewöhnliche Decodierung der mRNA statt, indem das Codon UGA, das sonst als Stopcodon dient, für das Selenocystein (Sac) benutzt wird. Wegen der hohen Reaktivität des negativ geladenen Se-, das den Schwefel des Cysteins ersetzt, – befindet sich das Selenocystein im katalytischen Zentrum einiger Oxidoreductasen (Glutathion-Peroxidase, Thioredoxin-Reductase) sowie der 5-Tetrajodthyronin-Dejodase.

4.3.1.1

Die Nahrung enthält auch kleine Mengen an D-Aminosäuren

Mit Ausnahme des Glycins trägt das α-C-Atom aller Aminosäuren vier verschiedene Substituenten: eine Carboxylgruppe, eine Aminogruppe, einen Wasserstoff und eine Seitenkette. Das α-C-Atom bildet also ein Chiralitätszentrum. Die vier – tetraedrisch angeordneten – Substituenten können in zwei verschiedenen Konfigurationen gebunden werden, die sich zueinander wie Bild und Spiegelbild verhalten und sich nicht zur Deckung bringen lassen. Die beiden Formen, die Abbildung 4.3 am Beispiel des Alanins demonstriert, bezeichnet man als Enantiomere. Alle Moleküle mit einem Chiralitätszentrum sind optisch aktiv, das heißt, sie drehen die Ebene des linear polarisierten Lichtes nach links (L) oder nach rechts (D). Es gibt also L- und D-Aminosäuren. D-Aminosäuren sind als Bausteine kleiner Peptide in mikrobiellen Membranen, in Antibiotica sowie in einigen Syntheseprodukten niedriger Tiere nachgewiesen worden. Weiterhin entstehen sie gelegentlich bei Alkalibehandlung von Proteinen bei gleichzeitiger Hitzeeinwirkung. Kleine Mengen an D-Aminosäuren kommen daher auch in den Nahrungsmitteln des Menschen vor. Wie bereits erörtert, baut der Organismus des Menschen – und der höheren Tiere – während der Translation ausschließlich L-Aminosäuren in den Peptidverband ein. Die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, die für die Beladung der tRNA-Moleküle mit den zugehörigen Aminosäuren zuständig sind, aktivieren jedoch auch D-Aminosäuren. Diese können allerdings nicht in die wachsende Peptidkette eingefügt werden und stören somit den Translationsvorgang. Die in den Peroxisomen vorkommenden D-AminosäureOxidasen (Abschnitt 1.2.5.1) dürften die Aufgabe haben, die D-Aminosäuren zu eliminieren. Es handelt sich dabei um eine irreversible, dehydrierende Desaminierung mit FAD als Coenzym. Das bei dieser Reaktion entstehende FADH2 wird durch O2 unter COO+

H3N

4.3

C

H

COOH

C

+

NH3

CH3

CH3

L-Alanin

D-Alanin

Die beiden Enantiomere des Alanins

4 Die Nährstoffe

233

Bildung von H2O2 regeneriert. Das H2O2 wird durch die ebenfalls in den Peroxisomen lokalisierte Katalase in 1⁄2 O2 und H2O überführt (Abschnitt 1.2.5.1, Gleichung 1.3). 4.3.1.2

Einige Aminosäuren werden im Peptidverband posttranslational modifiziert

Verschiedene Proteine enthalten in ihrem Peptidverband an der Seitenkette modifizierte Aminosäuren, die als solche bei der Translation nicht in den Peptidverband der wachsenden Kette eingefügt werden können. Abbildung 4.4 zeigt einige Beispiele. Das δHydroxylysin und das γ -Hydroxyprolin, die im Kollagen in hoher Zahl vorkommen, dienen der Stabilisierung der Tripelhelix. Das 3-Methylhistidin ist für die Muskelproteine Actin und Myosin charakteristisch. Das γ -Carboxyglutamat befindet sich in den Calcium-akkumulierenden Proteinen der Blutgerinnung, sowie im Osteocalcin des Knochengewebes und im Nephrocalcin, ein saures Glykoprotein der Niere (Abschnitt H –

C

OOC

CH2

CH2

CH

+

NH3

CH2 +

OH

NH3

δ-Hydroxylysin H –

C

OOC

CH2 HC

+

H2N

OH

CH2

γ-Hydroxyprolin H –

OOC

C

CH2

+

NH3

C

CH

N

N C H

3-Methylhistidin –

H –

OOC

C

COO CH2

+

CH –

COO

NH3

γ-Carboxyglutamat 4.4

Posttranslational modifizierte Aminosäuren

CH3

234

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

4.4.1.4). Die enzymkatalysierte Modifikation dieser Aminosäuren erfolgt, nachdem sie bereits in die Peptidkette integriert worden sind. Diese beim Abbau der Proteine freigesetzten Aminosäuren werden für die Proteinsynthese nicht reutilisiert. Das Hydroxyprolin wird teilweise über Pyruvat oxidativ verstoffwechselt, ein Anteil von 10 bis 15 % wird jedoch im Urin ausgeschieden und dient als Indikator für die Intensität des Bindegewebsstoffwechsels. Das 3-Methylhistidin, das ebenfalls renal ausgeschieden wird, ist eine Markersubstanz für den Umsatz der Muskelproteine.

4.3.2 Aminosäuren sind die Vorstufen fast aller stickstoffhaltigen Verbindungen des Organismus Der Mensch deckt seinen Stickstoffbedarf fast ausschließlich mit den Aminosäuren der Nahrungsproteine, zu einem geringen Anteil auch mit freien Aminosäuren, die insbesondere in manchen pflanzlichen Nahrungsmitteln enthalten sind. Andere N-haltige Verbindungen der Nahrung fallen quantitativ kaum ins Gewicht. Tierische Gewebe– und damit Lebensmittel – enthalten aber immerhin 1 bis 2 % des Stickstoffs in Form von Purin- und Pyrimidinbasen sowie von Phospholipiden, Creatin und einigen anderen N-haltigen Substanzen. Ein Erwachsener synthetisiert durchschnittlich 300 g Körperprotein pro Tag. Somit dienen die alimentär zugeführten Aminosäuren in erster Reihe der Proteinbiosynthese. Dessen ungeachtet haben die Aminosäuren Dutzende sonstiger essentieller Funktionen von außerordentlicher Vielfalt. Sie überwiegen als Bauelemente in den Purin- und Pyrimidinbasen. Obwohl die intrazellulär abgebauten und mit der Nahrung aufgenommenen Purin- und Pyrimidinbasen relativ gut reutilisierbar sind, müssen täglich 400 bis 700 mg Purin- und Pyrimidinnucleotide neu synthetisiert werden. Alle kernhaltigen Zellen sind zu dieser Synthese befähigt, die von Aminosäuren ausgeht. Abbildung 4.5 zeigt die Herkunft der einzelnen Atome des Purinkerns: Bis auf die C-Atome 2, 6 und 8 stammen alle Bausteine von den Aminosäuren Glycin, Aspartat und Glutamin. Die Biosynthese des Pyrimidinkerns (Abbildung 4.6) geht vom Aspartat aus. Wie in Abschnitt 1.4.4 bereits detailliert besprochen, werden 11 der proteinogenen Aminosäuren und 3 nicht-proteinogene Aminosäuren in einer Pyridoxalphosphat-abhängigen Reaktion decarboxyliert. Wie Tabelle 1.21 zeigt, entstehen bei dieser Reaktion eine große Anzahl biogener Amine. Sie fungieren als Hormone, Neurotransmitter,

HCO3-

Aspartat (Amino-N)

N1 C

2

C 6

3

N

Formiat

Glycin

N

5C

7

4C

9

8C

N H

Glutamin Glutamin (Amid-N) (Amid-N)

4.5

Herkunft der Atome des Purinkerns

Formiat

4 Die Nährstoffe

235

C

Glutamin N

C

C

C

HCO3-

4.6

N

-Aspartat

Atome des Pyrimidinkerns, die von Aspartat und Glutamin abstammen

Mediatoren, Vitaminbausteine, Bestandteile von Phospholipiden und Vorstufen sonstiger hochwirksamer Biomoleküle. Die Schilddrüsenhormone sind jodierte Abkömmlinge des Tyrosins (Abschnitt 1.4.4.3). Weiterhin sind Aminosäuren an der Porphyrinsynthese und an der Creatinsynthese (Abschnitt 11.2.4) beteiligt, die noch besprochen wird – um nur wenige der Synthesewege zu erwähnen, in die Aminosäuren involviert sind, ohne dass Peptide beziehungsweise Proteine entstehen.

4.4 Vitamine sind essentielle Spurennährstoffe Die Bezeichnung Vitamine umfasst eine Reihe sehr unterschiedlicher organischer Verbindungen, die für den Ablauf des Stoffwechsels unentbehrlich sind. Beim höheren tierischen Organismus – einschließlich des Menschen – ist die Fähigkeit zur Synthese auch dieser Substanzen im Verlauf der Evolution verlorengegangen. Somit ist der Mensch darauf angewiesen, diese Verbindungen, die durch Mikroorganismen und Pflanzen synthetisiert werden, mit der Nahrung aufzunehmen. Vitamine sind also essentielle Nährstoffe. Zwei Vitamine können jedoch prinzipiell auch vom Menschen synthetisiert werden, da alle Enzyme des Syntheseweges erhalten sind: Nicotinsäure kann – wenn auch nicht bedarfsdeckend – auf einem Nebenweg des Tryptophan-Abbaus und Vitamin D3 durch Lichteinwirkung aus 7-Dehydrocholesterin entstehen. Diese beiden Vitamine sind semi-essentiell. Die Vitamine sind sowohl hinsichtlich ihrer chemischen Konstitution als auch hinsichtlich ihrer biologischen Funktion inhomogen. Als Grundlage der Einteilung wird üblicherweise die Löslichkeit in Lipiden beziehungsweise im Wasser verwendet. Nach diesem Kriterium unterscheidet man zwischen den fettlöslichen Vitaminen – Vitamin A, Vitamin D, Vitamin E und Vitamin K – und den wasserlöslichen Vitaminen – Thiamin, Riboflavin, Niacin, Pyridoxin, Folsäure, Cobalamin, Biotin, Pantothensäure und Ascorbinsäure. Als Folge ihrer Hydrophobizität werden die fettlöslichen Vitamine im Fettgewebe akkumuliert und eine exzessive Zufuhr kann zu Hypervitaminosen führen. Die wasserlöslichen Vitamine werden dagegen nur in geringem Umfang gespeichert und die den aktuellen Bedarf überschreitende Menge wird im allgemeinen renal ausgeschieden. Immerhin hat auch der Organismus höherer Tiere ein gewisses Körperdepot an Vitaminen. Somit trägt auch tierische Nahrung zur Deckung des Vitaminbedarfs des Menschen bei. Die Mengen, die zur Ausübung der spezifischen biochemischen Wirkung der Vitamine notwendig sind, liegen im Bereich von Spuren. Entsprechend niedrig ist auch der Gesamtbestand des Organismus, der für das Vitamin K auf etwa 0,1 mg, für das Vitamin C auf ungefähr 3,5 g geschätzt wird.

236

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Die fettlöslichen Vitamine weisen insofern eine gewisse chemische Verwandtschaft miteinander auf, als dass sie ganz oder teilweise aus Isoprenoid-Einheiten aufgebaut sind. Im Falle der wasserlöslichen Vitamine handelt es sich um chemisch völlig unterschiedliche Verbindungen. Die meisten Vitamine haben mehrere biologisch wirksame Formen mit ähnlicher molekularer Struktur, die als Vitamere bezeichnet werden.

4.4.1 Die vier fettlöslichen Vitamine haben unterschiedliche biochemische Funktionen Alle vier Vertreter in der Gruppe der fettlöslichen Vitamine haben mehrere Strukturanaloga. Die meisten dieser Vitamere sind biologisch wirksam, sie können sich also prinzipiell bei ihren biochemischen Aufgaben vertreten. Wie aus Tabelle 4.5 zu ersehen ist, kann die relative biologische Wirksamkeit, die mittels biologischer Tests ermittelt wird, bei den einzelnen Strukturanaloga recht unterschiedlich sein. Tabelle 4.5: Relative biologische Wirksamkeit der wichtigsten Strukturanaloga der fettlöslichen Vitamine Chemische Kurzbezeichnung

Relative Aktivität

Vitamin A-Gruppe1) all-trans-Retinol (Vitamin A1) all-trans-Retinal cis-Retinol-Isomere Retinyl-Ester 3-Dehydro-Retinol (Vitamin A2) all-trans-Retinsäure

100 90-100 23-75 10-100 30-40 50

β-Carotin α-Carotin γ-Carotin Kryptoxanthin

50 26 21 28

Vitamin D-Gruppe2) Ergocalciferol (Vitamin D2) Cholecalciferol (Vitamin D3) 25-OH-Cholecalciferol 1α, 25(OH)2-Cholecalciferol

100 100 200-500 500-1 000

Vitamin E-Gruppe3) α-Tocopherol β-Tocopherol γ-Tocopherol δ-Tocopherol α-Tocotrienol β-Tocotrienol

100 15-27 3-20 0,3-2 17-25 1-5

Vitamin K4) Phyllochinon (Vitamin K1) Menachinon-6 (Vitamin K2)

100 60

Standard: 1)Speicherung in Ratten- beziehungsweise Hühnerleber; 2)Rachitis-Präventivtest bei Ratten beziehungsweise Hühnern; 3)Hämolyse-Test bei Ratten; 4)Blutgerinnungszeit bei Vitamin K-Mangel-Küken

4 Die Nährstoffe

4.4.1.1

237

Carotinoide sind Provitamine der Retinoide

Der Gruppenname Vitamin A wird mit der Bezeichnung Retinoide synonym gebraucht. Die Gruppe umfasst etwa 1 500 natürliche und synthetische Verbindungen. Formal bestehen diese Moleküle aus vier Isopren-Einheiten. Es existieren drei natürliche Grundformen des Vitamin A: der Alkohol Retinol, das Aldehyd Retinal und die Retinsäure. Ihre Strukturformel zeigt Abbildung 4.7. Die sehr große Zahl der Varianten kommt dadurch zustande, dass die Retinoide sowohl an der Ringstruktur als auch hinsichtlich der Doppelbindungen vielfach modifiziert werden können und außerdem alle nativen Retinoide auch cis-trans-Isomerie der Doppelbindungen aufweisen. CH3

H3C CH3 H C 2 3

4.7

1

4

6 5

7

CH3 H C

C C H 8

9

C H

11

10

C

C H

12

13

R

C H

15

14

CH3

R=

CH2OH

Retinol

R=

CHO

Retinal

R=

COOH

Retinsäure

Strukturformel von Retinol, Retinal und Retinsäure

Es existieren etwa 40 natürliche Provitamine A, von denen vor allem das β-, α- und γ -Carotin in der Nahrung vorkommen und in Abbildung 4.8 dargestellt sind. Zur Biosynthese von Carotinoiden sind höhere Pflanzen und Mikroorganismen befähigt. Im Organismus des Menschen werden die Carotinoide vor allem in der Darmmucosa und in der Leber durch die β-Carotin-15, 15⬘-Dioxygenase in Vitamin A umgewandelt (Abschnitt 1.4.6; Abbildung 1.80). Aus β-Carotin entstehen durch Spaltung zwei Moleküle Retinaldehyd, das zu Retinol reduziert wird. In den Industrieländern wird etwa die Hälfte des Vitamin A-Bedarfs durch Umwandlung der Carotinoide der pflanzlichen Nahrung gedeckt. Die andere Hälfte stammt aus tierischen Produkten, die vor allem Retinol und Retinylester – überwiegend als Palmitat – enthalten. In den Leberzellen werden die Retinylester hydrolysiert und als Retinol an das Blut abgegeben, wo das Retinol-bindende-Protein den Transport in die peripheren Organe

β -Carotin

α -Carotin

γ -Carotin 4.8

Strukturformel des β-, α- und γ-Carotins

238

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

vermittelt. Die Retinsäure wird vor allem an Albumin gebunden transportiert. Es gibt eine größere Anzahl von Proteinen, die Retinoide binden. Sie transportieren die Retinoide nicht nur in- und außerhalb von Zellen, sondern präsentieren sie auch Rezeptoren und Enzymen. Diesen spezifischen Proteinen wird eine wichtige Rolle bei der Vermittlung der biologischen Funktion der Retinoide zugeschrieben. Die physiologischen Funktionen der Retinoide lassen sich in drei Gruppen einteilen: 1. die Funktion beim Sehprozess; 2. die Funktionen bei Wachstum, Entwicklung und Differenzierung von Epithelgeweben und 3. die Funktionen bei der Reproduktion, die die Spermatogenese, das embryonale Wachstum und die Entwicklung der Plazenta betreffen. Am besten geklärt ist die spezifische Rolle des Retinals als Bestandteil des Sehpigments Rhodopsin*. An der Biosynthese von Glykoproteinen in Epithelzellen ist das Retinol in Form des Retinylphosphats beteiligt. Die Retinoate wirken auf verschiedene Vorgänge der Reproduktion im Sinne von Hormonen, indem sie die Transkription bestimmter Gene mittels spezifischer Rezeptoren im Zellkern regulieren. Dieser Aspekt wurde in Abschnitt 1.4.6 detaillierter besprochen.

4.4.1.2

Dem Wirkungsmechanismus nach ist das Vitamin D ein Steroidhormon

Auch die Bezeichnung Vitamin D ist ein Gruppenname und umfasst alle Steroide, die in qualitativer Hinsicht die biologische Wirkung des Cholecalciferols aufweisen. In Abbildung 4.9 sind die beiden biologisch gleich wirksamen Formen des Vitamin D dargestellt: das Vitamin D3 oder Cholecalciferol, dessen Vorstufe das in der Leber aus Cholesterin gebildete 7-Dehydrocholesterin ist, und das Vitamin D2 oder Ergocalciferol, das aus der in Hefe gebildeten Vorstufe Ergosterin entsteht. Die Synthese des Cholecalciferols und seine enzymatische Überführung in die hormonell aktive Form, das heißt CH3 H C CH3

CH3 CH2 CH2 CH2 CH CH3

CH3 H C CH3

hν

CH3

CH3 CH2 CH2 CH2 CH CH3

CH2

Photolyse HO

HO

7-Dehydrocholesterin Provitamin D3 (Leber)

CH3 H C CH3

CH3 CH3 CH CH CH CH CH3

Cholecalciferol (Vitamin D3)

CH3 H C CH3

hν

CH

CH3 CH CH

CH3 CH CH CH3

CH2

Photolyse HO

HO

Ergosterin (Hefe)

4.9

Provitamin D2

Ergocalciferol (Vitamin D2)

Photolytische Umwandlung von 7-Dehydrocholesterin und Ergosterin in Vitamin D3 und Vitamin D2

* Genaueres siehe Lehrbücher der Physiologie.

4 Die Nährstoffe

239

in 1α ,25-Dihydroxycholecalciferol (Abbildung 1.79) wurde bereits in Abschnitt 1.4.5.4 dargestellt. Das gleiche gilt für die biochemische Wirkung des Calcitriols, die in Abschnitt 1.4.5.5 behandelt wurde. Bei allen Effekten des Calcitriols handelt es sich um Induktion der Biosynthese spezieller Proteine, vor allem in den Zielorganen Darm, Niere und Knochen. Dem Wirkungsmechanismus nach handelt es sich beim Vitamin D um ein Steroidhormon. Die Eingliederung dieser Substanz in die Gruppe der Vitamine ist allein dadurch gerechtfertigt, dass unter bestimmten Bedingungen – vor allem bei nicht ausreichender Sonnenlichteinwirkung – die Eigensynthese nicht ausreicht, um den Bedarf zu decken. In diesem Falle ist die alimentäre Zufuhr von Cholecalciferol mit tierischen Produkten essentiell.

4.4.1.3

Das Vitamin E nimmt an Redox-Reaktionen teil

Vitamin E ist die Sammelbezeichnung für acht Derivate des 6-Chromanols, vier Tocopherole und vier Tocotrienole, von denen es jeweils α, β, γ und δ Varianten gibt. Diese unterscheiden sich in der Anzahl und der Stellung von CH3-Gruppen am Chromanring. Am C-2 des Ringes ist eine isoprenoide Seitenkette mit 16 C-Atomen verankert. Diese ist bei den Tocopherolen gesättigt, bei den Trocotrienolen weist sie drei Doppelbindungen auf. Im physiologischen Sinne werden unter dem Begriff Vitamin E alle Derivate der Tocopherole und Trocotrienole verstanden, die die biologische Aktivität von α-Tocopherol haben. Zur Biosynthese sind außer einigen Mikroorganismen ausschließlich Pflanzen befähigt. Vitamin E-Quellen sind daher vor allem Pflanzenöle und in geringem Umfang tierische Fette, da Tiere im Fettgewebe nur kleine Mengen an Vitamin E speichern. Wie Abbildung 4.10 am Beispiel des α -Tocopherols zeigt, nehmen Tocopherole an Redox-Reaktionen teil, indem sie in Tocochinone umgewandelt werden. Dabei reagieren sie mit organischen Peroxidradikalen nach Gleichung 4.1: ROO• + Tocopherol-OH → ROOH + Tocopherol-O•

(Gl. 4.1)

Durch diese Reaktion können Radikalketten unterbrochen werden, die vor allem zur oxidativen Schädigung von Fettsäuren der biologischen Membran führen können (siehe Exkurs 5.1). Zur Rückreduktion des Tocopherols dienen Ascorbat und Glutathion. Außer der antioxidativen Wirkung dürfte das Vitamin E auch andere spezifische Effekte haben, deren biochemischer Wirkungsmechanismus unklar ist. Besonderes Interesse beansprucht die Wechselwirkung zwischen Vitamin E und dem Spurenelement Selen.

4.4.1.4

Das Vitamin K ist Coenzym bei der γ-Carboxylierung des Glutamates

Die Vitamere der Vitamin K-Gruppe – auch Phyllochinone genannt – sind in Abbildung 4.11 dargestellt. Sie sind Naphthochinon-Derivate. Die Methylgruppe in Position 2 des Ringes ist für die biologische Wirkung essentiell. Die in der Natur als Syntheseprodukte von Pflanzen und der Darmflora vorkommenden Formen enthalten am C-3 eine ungesättigte isoprenoide Seitenkette. Bei Vitamin K1 handelt es sich um einen Phytylrest, beim Vitamin K2 um einen Difarnesylrest. Das synthetische Vitamin K3

240

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

α-Tocopherol

β-TocopherolHydrochinon

Tocochinon 4.10

α-Tocopherol und seine Redoxformen

4 Die Nährstoffe

241

O 1

4

CH3 2 3

R

O

Naphthochinon-Ring

Phytylrest CH3

CH3 R= -- CH2-- CH = C

CH2-- CH2-- CH2-- CH -- CH3 n

Phytomenadion (Phyllochinon, Vit. K1)

Difarnesylrest CH3

CH3 R= -- CH2-- CH = C

CH2-- CH2-- CH -= C -- CH3 n

Menachinon(Vit. K2) R=H

Menadion(Vit. K3)

4.11

Vitamere der Vitamin K-Gruppe

oder Menadion hat keine Seitenkette. Die Leber kann alle Derivate in Vitamin K2 umwandeln, das wahrscheinlich die einzige biologisch aktive Form ist. Das Vitamin K fungiert als Cofaktor bei der γ -Carboxylierung von Glutamylseitenketten mehrerer Proteine. Es handelt sich dabei um die posttranslationale Modifikation der Blutgerinnungsfaktoren VII, IX, X, Protein C und Protein S sowie von Prothrombin. Die Einführung von γ-Carboxylgruppen in den Peptidverband dieser Glykoproteine führt zu einer beträchtlichen Zunahme von negativen Ladungen. Dieses wiederum ist die Voraussetzung für die Wechselwirkung dieser Proteine mit Phospholipiden und Calcium, die zu ihrer Aktivierung führt. Ein weiteres Protein, dessen Glutamylreste posttranslational γ-carboxyliert werden, ist das Osteocalcin im Knochen, sowie in den atherosklerotischen Plaques der Blutgefäße. Abbildung 4.12 stellt den Reaktionsablauf der γ -Carboxylierung dar. Als erster Schritt wird das Vitamin K2 durch eine Chinon-Reductase mit Hilfe von NADPH+H+ zu Hydrochinon reduziert, das die Coenzymform des Vitamins darstellt. Für die nachfolgende Carboxylierung sind außer Glutamat in entsprechender Position CO2 und O2 notwendig. Das Vitamin K2 geht aus dieser Reaktion als 2,3-Epoxid hervor, das im nachfolgenden Schritt durch eine Epoxid-Reductase zur Chinonform reduziert wird, wobei ein Thiol als Reduktionsmittel Verwendung findet. Der Cyclus kann von neuem beginnen.

242

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus Protein-gebundenes Glutamat R

O2

CO 2

Carboxylase

HC

HCH

COOH

COOH

COOH

Hydrochinon

Protein-gebundenes Carboxyglutamat

R

OH

O CH3

CH3

O R

Epoxid

R

NADP + O

OH

SH

NADPH+H+

SH

O

ChinonReductase

CH3

R

EpoxidReductase S

S

O

Chinon

4.12

Vitamin K-abhängige γ -Carboxylierung

4.4.2 Alle wasserlöslichen Vitamine haben Coenzymfunktionen Zu den wasserlöslichen Vitaminen gehören neun Substanzen. Wie die folgenden Strukturformeln zeigen, weisen die einzelnen Moleküle keinerlei chemische Verwandtschaft untereinander auf. Die wasserlöslichen Vitamine werden – mit Ausnahme der Ascorbinsäure – auch „B-Vitamine“ genannt. Dieser Ausdruck geht auf die Geschichte der Entdeckung der vitaminwirksamen Substanzen zurück; er ist nichtssagend und unpräzise. Abgesehen von ihren hydrophilen Eigenschaften berechtigt auch der prinzipiell ähnliche Wirkungsmodus dazu, die wasserlöslichen Vitamine als Gruppe zu betrachten. Sie wirken als Coenzyme bei zahlreichen enzymatischen Reaktionen. Diese Funktion ist streng spezifisch, das heißt, die einzelnen Vitamine sind untereinander nicht austauschbar. Einige wasserlösliche Vitamine wirken als biologische Redox-Systeme ohne an enzymatischen Reaktionen beteiligt zu sein. Auch die wasserlöslichen Vitamine sind Syntheseprodukte von Pflanzen und Mikroorganismen. Die Gewebe höherer Tiere – insbesondere die Leber – speichern auch diese Vitamine, wenn auch in weitaus geringerem Umfang als die fettlöslichen. Somit können auch tierische Produkte zur Deckung des Bedarfs an wasserlöslichen Vitaminen beitragen*.

* Über den Bedarf an Vitaminen und den Vitamingehalt von Lebensmitteln informieren die Lebensmitteltabellen (siehe Literaturempfehlungen).

4 Die Nährstoffe

4.4.2.1

243

Biologisch wirksam sind die Phosphatester des Thiamins

Das Thiamin (Vitamin B1) ist aus je einem Pyrimidin- und einem Thiazolring zusammengesetzt, die durch eine Methylenbrücke verbunden sind. Der Pyrimidinring ist am C-2 durch eine CH3-, am C-4 durch eine NH2-Gruppe substituiert. Der Thiazolring trägt eine CH3-Gruppe und eine Hydroxyethylgruppe als Substituenten (Abbildung 4.13). Die Substituenten am Pyrimidinring sind für die biologische Wirkung des Thiamins wichtig, die Hydroxyethylgruppe des Thiazolringes dient zur Bildung der Phosphatester. Dies sind das Thiaminmonophosphat (TMP), das Thiamindiphosphat oder Thiaminpyrophosphat (TDP oder TPP) und das Thiamintriphosphat (TTP).

A

NH2 CH2

N

S

N

H3C

B

CH3

N

CH2

CH2OH

NH2 CH2

N H3C

N

CH3

N

O S

CH2

CH2

O

P O

4.13

–

–

O O

P

O

–

O

Strukturformel von A. Thiamin und B. Thiamindiphosphat

Das Thiamindiphosphat ist die Coenzymform des Thiamins und dominiert in tierischen Geweben, wo es meistens an Enzymproteinen gebunden vorliegt. Zellen nehmen nur freies Thiamin auf, das intrazellulär durch Thiaminkinasen, über TMP als Zwischenstufe, zu TDP rephosphoryliert wird. Mehrere TDP-abhängige Enzyme befinden sich an Schaltstellen des Zellstoffwechsels. Dies gilt insbesondere für die Pyruvat-Dehydrogenase, ein Multienzymkomplex, der Pyruvat in Acetyl-CoA überführt (Abschnitt 9.3.4) und die α -Ketoglutarat-Dehydrogenase, die im Tricarbonsäurecyclus die Umwandlung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA katalysiert (Abschnitt 5.2.1). Weitere TDP-abhängige enzymatische Reaktionen zeigt Abbildung 4.14. Allgemein wirkt das TDP an Aldehyd-Transferreaktionen mit. Es besitzt ein „acides“ C-Atom, das sein H-Atom leicht gegen ein C-Atom eines Substrates austauscht. Die Aktivität der Transketolase – ein Enzym des Pentosephosphat-Weges (Abschnitt 9.3.8) – in den Erythrocyten gilt als Kriterium zur Beurteilung des Versorgungszustandes mit Thiamin. Ein manifester Thiaminmangel betrifft fast immer das neuronale System. Die nervenspezifische Funktion des Thiamins scheint anders geartet zu sein als seine Coenzymfunktion und ist nicht vollständig geklärt. Elektrische oder chemische Stimulation von Neuronen ist von der Abgabe von freiem Thiamin und von TMP aus diesen Zellen begleitet, was auf Dephosphorylierung von TDP und TTP zurückgeführt wird. Einige kausal nicht ganz geklärte Beobachtungen deuten darauf hin, dass TTP die neurologisch aktive Form des Thiamins ist. Zur Zeit wird auch die Hypothese diskutiert, dass Thi-

244

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Pyruvat

α-Ketoglutarat

Pyruvat-Dehydrogenase

Acetyl-CoA

α-Ketoglutarat-Dehydrogenase

Succinyl-CoA

α-Ketoisovalerianat

VK-DH

Isoleucin

α-Keto-β-Methylvalerianat

VK-DH

α-Methylbutyryl-CoA

Leucin

α-Keto-Isocapronat

VK-DH

β-Methylcrotonyl-CoA

Valin

Isobutyryl-CoA

Transketolase

Xylulose-5-phosphat+Ribose-5-phosphat

Sedoheptulose-7- P +Glycerinaldehyd-3- P

VK - DH = Verzweigtkettige-Aminosäure-Dehydrogenase

4.14

Thiamindiphosphat-abhängige Reaktionen im Intermediärstoffwechsel

amin daran beteiligt ist, an der inneren Oberfläche der neuronalen Membran ein negatives Ladungspotential aufrechtzuerhalten und damit die Na+-Permeabilität dieser Membran zu modulieren.

4.4.2.2

Das Riboflavin ist Baustein der Flavinnucleotide

Das Riboflavin (Vitamin B2), die Stammverbindung der Gruppe, ist ein 7,8-Dimethyl10-(1⬘-D-Ribityl)-Isoalloxazin (Abbildung 4.15). Es kann in unterschiedlichen RedoxZuständen als Flavochinon, Flavosemichinon und Flavohydrochinon vorkommen, was seine Rolle in biologischen Redox-Systemen erklärt. Riboflavinhaltige Coenzyme sind H

O CH3

N

CH3

N

H+ + e

NH O

N

FMN

CH2

CH3

N+

CH3

N

O-

H NH

N

R

HCOH

FADH (FMNH )

HCOH

(Semichinon)

HCOH CH2

FAD

O -O

O

P

NH2

O -O

P

O

N

O CH2

N

O H

H

OH

OH

N N

H

H

Flavinadenindinucleotid (FAD) und Flavinmononucleotid (FMN)

4.15

H+ + e

Die Flavinnucleotide in unterschiedlichen Redoxzuständen

O

O

CH3

N

CH3

N

N

R

H

NH

FADH2(FMNH2)

(vollständig reduziert)

O

4 Die Nährstoffe

245

das Flavinmononucleotid oder Riboflavinmonophosphat (FMN) und das Flavinadenindinucleotid oder Riboflavinadenosindiphosphat (FAD). Beim FMN ist ein Phosphat mit dem Ribitylrest verestert, beim FAD ist das Adenin über zwei Phosphatgruppen an das Ribityl gebunden. Eine sehr große Zahl von Enzymen, die als Flavoproteine oder Flavoenzyme bezeichnet werden, benötigt FMN, noch häufiger FAD als Coenzym. Sie katalysieren Redox-Reaktionen. Dabei wird – wie in Abbildung 4.15 dargestellt – der IsoalloxazinRing reversibel reduziert. Dazu übernimmt er entweder ein oder zwei Elektronen in Form von Wasserstoff von einem reduzierten Substrat. Flavoproteine wirken also sowohl an Ein- als auch an Zwei-Elektronenübertragungen mit. Zahlreiche Flavoproteine sind an Reaktionen in Schlüsselpositionen des Stoffwechsels beteiligt. Tabelle 4.6 enthält einige Beispiele. Tabelle 4.6: Beispiele von Enzymen, die mit Flavinnucleotiden katalysieren Enzym

Flavinnucleotid

Succinat-Dehydrogenase

FAD

α-Glycerophosphat-Dehydrogenase

FAD

Acyl-CoA-Dehydrogenase

FAD

Dihydrolipoyl-Dehydrogenase

FAD

NADH-Dehydrogenase

FMN

Glycolat-Dehydrogenase

FMN

Bei den meisten Flavoproteinen ist das Flavinnucleotid fest, bei manchen auch kovalent an das Apoenzym gebunden. Flavoproteine sind häufig sehr komplex aufgebaut. Manche enthalten auch fest gebundene Metalle, zum Beispiel Eisen oder Molybdän, die sich an den Elektronenübertragungen beteiligen.

4.4.2.3

Das „Niacin“ liefert die Nicotinamid-Einheit für die Synthese der Pyridinnucleotide

Die Bezeichnung Niacin wird als Gruppenname für Derivate der Nicotinsäure benutzt. Von der Nicotinsäure (Pyridin-3-Carbonsäure) leitet sich das Nicotinamid (Pyridin-3-Carboxamid; Abbildung 4.16) ab. Bei der Synthese der Coenzyme Nicotinamid-Adenindinucleotid (NAD+) und dem Nicotinamid-Adenindinucleotidphosphat (NADP+) werden zwei Nucleotide – das Nicotinat-Mononucleotid und das Adenosin-Monophosphat – über ihre Phosphatgruppen durch eine PhosphorsäureanhydridBindung miteinander verbunden (Abbildung 4.17). Im NADP+ trägt der Adenosinteil in 2⬘-Stellung der Ribose einen dritten Phosphatrest. Die Nicotinsäure ist ein Semi-Vitamin, da in einem Nebenweg des Tryptophanstoffwechsels Niconat-Mononucleotid entsteht, das für die Coenzymsynthese direkt verwendbar ist (Abschnitt 9.4.3.3; Abbildung 9.39). Etwa 60 mg Tryptophan sind notwendig, um 1 mg Nicotinsäure zu gewinnen. Ein vollständiger Ersatz des Vitamins durch erhöhte Tryptophanzufuhr ist nicht möglich, da der Nebenweg des Tryptophan-

246

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

O

C

4.16

C

–

O

N

N

A

B

O NH2

Strukturformel der Nicotinsäure (A) und des Nicotinamids (B)

abbaus, dessen Endprodukt das Niacin ist, nur begrenzt nutzbar ist und höhere Tryptophangaben ab einer bestimmten Grenze toxisch wirken. O C

CH2

O O

P

O– H

O

P O

H

Nicotinamid

H H OH NH2

O–

N

CH2 H H

N O

N N

H H

OH

4.17

O

OH

O

+ N

NH2

OH

Strukturformel des Nicotinamid-adenindinucleotids (NAD+)

Es sind mehr als 200 Dehydrogenasen bekannt, bei deren Reaktionen NADH und NADPH als lösliche Elektronen-Carrier wirken. Tabelle 4.7 zeigt einige Beispiele von Dehydrogenasen. Im katabolen Stoffwechsel fungiert meistens das NAD, im anabolen das NADP als Coenzym. Beide Coenzyme werden am Nicotinamid-Ring reversibel reduziert. Bei der Dehydrierung eines Substratmoleküls unter Abgabe von zwei Wasserstoffatomen nimmt die oxidierte Form des Nucleotids (NAD+ oder NADP+) ein HydridIon (H–) auf und geht so in die reduzierte Form (NADH oder NADPH) über nach Gleichung: NAD+ + 2e– + 2 H+ → NADH + H+ oder NADP+ + 2e– + 2 H+ → NADPH + H+ Das zweite vom Substrat abgespaltene H+ verbleibt im Reaktionsmedium.

(Gl. 4.2)

4 Die Nährstoffe

247

Tabelle 4.7: Beispiele von Enzymen, die NAD oder NADP als Coenzym benutzen Enzym

NAD/NADP

Isocitrat-Dehydrogenase Malat-Dehydrogenase Lactat-Dehydrogenase Alkohol-Dehydrogenase Glutamat-Dehydrogenase Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase

NAD NAD NAD NAD NAD/NADP NADP

Im Gegensatz zu den Flavonucleotiden sind NAD und NADP mit dem Apoenzym nicht fest assoziiert. Sie können zwischen den Enzymen diffundieren und fungieren damit als wasserlösliche Elektronen-Carrier zwischen den Metaboliten.

4.4.2.4

Pyridoxalphosphat ist als Coenzym an zahlreichen Reaktionen des Aminosäurestoffwechsels beteiligt

Die Gruppe der Pyridoxin-Vitamere besteht aus dem Alkohol Pyridoxol – auch Pyridoxin genannt –, dem Aldehyd Pyridoxal und dem Pyridoxamin. Die Bezeichnung Vitamin B6 wird synonym zur Pyridoxingruppe gebraucht. Die Stammform der Pyridoxin-Vitamere ist das 3-Hydroxy-2-Methylpyridin (Abbildung 4.18). Coenzymfunktion hat die phosphorylierte Form des Aldehyds, das Pyridoxalphosphat (PALP). Es gibt mehrere Dutzend PALP-abhängige Enzyme, die fast ausschließlich Reaktionen im Aminosäurestoffwechsel katalysieren. Zu diesen Reaktionen gehören die Transaminierungen, die Decarboxylierungen und verschiedene enzymatische Modifikationen der Seitenkette von α-Aminosäuren. Bei allen PALP-abhängigen Reaktionen ist der Mechanismus der Katalyse gleich. Er wird am Beispiel einer Transaminase-(Aminotransferase-)Reaktion besprochen (Abbildung 4.19). Bei der Transaminierung handelt es sich um eine cyclische Reaktionsfolge: Im Schritt I bildet sich zwischen der Aldehyd-Funktion des enzymgebundenen Pyridoxalphosphats und der Aminogruppe einer Aminosäure (AS1) unter Austritt von H2O eine Aldimin-Formation, die als Schiff-Base bezeichnet wird. Eine kationische Gruppe im aktiven Zentrum des Enzyms stabilisiert diese Formation. Der Pyridinstickstoff des Vitamins und auch die kationische Gruppe des Enzymproteins üben eine elektronenanziehende (elektrophile) Wirkung aus. Hierdurch kommt es zur Elektronenverschiebung innerhalb des Coenzym-Substrat-Komplexes, die eine Schwächung der Bindung zwischen dem α-C-Atom und dem angelagerten H verursacht. Der Wasserstoff spaltet sich R HO

H2C

OH

N

4.18

R = CH2OH R = CH O R = CH2NH2

CH3

Strukturformel der Pyridoxin-Vitamere

Pyridoxol(Pyridoxin) Pyridoxal Pyridoxamin

R

H

COO–

+

N H

C

O

–

COO

NH3

C

H

+

H2C

NH3

+

C

CH3

O

–

VI

I

P

P

H2C

H2C

H

N H

+

C

R

N H

+

-

N

C

H

CH3

O–

E

+

-

O

C

CH3

O

O–

E

+

N

O

O

V

H2O

H2O

II P

P

H2C

H2C

H

H

H

H

N H

+

C

R

N H

+

C

R

N

~

C

C N

CH3

O–

E

+

O-

C

O–

CH3

-

O

E

+

C

O

O

IV

P

III H2C

Mechanismus der Transaminierung einer Aminosäure. AS = Aminosäure; E = Enzym (Aminotransferase); KS = α-Ketosäure

P

R

C

C

C

H

~~

4.19

AS2

AS1

H

H

R

+

N H

C

+

–

CH3

O

NH3

O

R C COO–

H

H

O

R C COO–

KS2

KS1

248 Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

4 Die Nährstoffe

249

als H+ ab und lagert sich im Schritt II an das C-Atom des Aldehyds an. Hierdurch entsteht über ein chinoides Zwischenprodukt zwischen dem α-C-Atom der Aminosäure und dem Aminostickstoff eine labile Doppelbindung (Ketimin-Formation). Die hydrolytische Spaltung dieser Bindung im Schritt III führt zur Freisetzung einer αKetosäure (KS1). Die NH2-Gruppe bleibt als Pyridoxaminphosphat kovalent an das Enzymprotein gebunden, das nun als intermediärer Träger der NH2-Gruppe fungiert. Im Schritt IV kommt es wiederum unter Austritt von H2O zur Ausbildung einer Schiff-Base, diesmal mit einer Ketosäure (KS2). Die oben beschriebenen Teilschritte wiederholen sich in Schritt V und Schritt VI, wobei in diesem Fall eine Aminosäure (AS2) aus der Reaktion hervorgeht. Jede Zelle enthält Transaminasen – in besonders hoher Konzentration die Leberparenchym- und die Herzmuskelzellen –, die sich durch ihre Spezifität für jene α-Aminosäure, die die NH2-Gruppe abgibt, unterscheiden. Die durch die Transaminasen katalysierten Reaktionen sind mit einer Gleichgewichtskonstante von 1.0 uneingeschränkt reversibel. Der biologische Vorteil der Übertragung von NH2-Gruppen auf α-Ketosäuren durch Transaminierung liegt darin, dass die NH2-Gruppe dabei am Pyridoxalphosphat kovalent gebunden bleibt. Hierdurch muss sie nicht durch einen ATP-abhängigen, das heißt energieverbrauchenden, Prozess fixiert werden. Eine besondere Bedeutung der Transaminierung ist auch dadurch gegeben, dass der Aminostickstoff von Aminosäuren, die an diesen Reaktionen teilnehmen, in Glutamat und Aspartat „gesammelt“ und damit stufenweise der Harnstoffsynthese zugeführt wird (Abschnitt 9.4.2.3). Glutamat ist außerdem Zwischenträger der NH2-Gruppe, die für amidierende Synthesen benötigt werden (Abschnitt 9.4.2.2). Wie bereits gezeigt wurde, haben Transaminasen auch eine Funktion beim Transport von Metaboliten zwischen Cytosol und Mitochondrion (Abschnitt 1.2.6.6). Bei der Decarboxylierung der Aminosäuren wird anstelle der α-Aminogruppe die α -Carboxylgruppe abgespalten. Auch diese enzymatische Reaktion wird durch die Bildung einer Schiff-Base eingeleitet. Die Elektronenverschiebung bewirkt jedoch in diesem Fall eine Labilisierung der Bindung zwischen dem α-C-Atom und seiner COOH-Gruppe. Welche Bindung bei den einzelnen Pyridoxalphosphat-abhängigen Reaktionen destabilisiert wird, hängt allein von den funktionellen Gruppen im aktiven Zentrum des betreffenden Enzyms ab. Das im Falle der Decarboxylierung an der Schiff-Base verbleibende Amin wird hydrolytisch abgespalten. Diese Amine werden als biogene Amine bezeichnet. Da die meisten von ihnen den Charakter von Signalstoffen haben, wurden sie bereits bei der hormonellen Regulation in Tabelle 1.21 aufgelistet. Eine weitere Pyridoxalphosphat-abhängige Reaktionskette im Aminosäurestoffwechsel ist die α, β-Elimination. Sie dient dem Abbau von Serin und Threonin, die am β-C-Atom eine Hydroxylgruppe tragen, und wird durch die Serin-Threonin-Dehydratase (Abbildung 9.33) katalysiert. Die Cystein-Desulfhydrase baut nach demselben Schema das Cystein ab. Im Falle des Serins und Threonins werden das H+ am α-CAtom sowie das OH– am β-C-Atom als H2O eliminiert. Im Falle des Cysteins entsteht durch Abspalten von H+ am α-C-Atom und von SH– am β-C-Atom H2S. Bei der ebenfalls Pyridoxalphosphat-abhängigen Aldolspaltung wird die Bindung zwischen dem α-C-Atom und dem β-C-Atom destabilisiert und gespalten. Durch eine derartige Aldolase-Reaktion entstehen beispielsweise aus Threonin Glycin und Acetaldehyd. Die Aldolspaltung ist eine nicht umkehrbare Reaktion.

250

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Es sei schließlich erwähnt, dass Pyridoxalphosphat auch ein essentieller Cofaktor bei der Glykogen-Phosphorylase-Reaktion ist. In diesem Falle fungiert seine Phosphatgruppe als allgemeiner Säurekatalysator und fördert den Angriff des Pi an der glykosidischen Bindung (Abschnitt 9.3.5).

4.4.2.5

Folsäure dient als Coenzym bei der Übertragung von C1-Einheiten

Die Bezeichnung Folsäure wird – synonym zu „Folate“ – als Gruppenname für mehr als 100 Derivate der Pteroylmonoglutaminsäure verwendet. Die Pteroylmonoglutaminsäure, die Stammsubstanz der Gruppe, besteht, wie Abbildung 4.20 zeigt, aus einem Pterinringsystem, p-Aminobenzoesäure und L-Glutaminsäure. In pflanzlichen und tierischen Geweben kommt die Folsäure fast ausschließlich als Folylpolyglutamat mit bis zu acht Glutamylresten, die über γ-Carboxylgruppen verbunden sind, vor. Die biologisch aktive Form, die Tetrahydrofolsäure, entsteht durch zwei hintereinander geschaltete Reduktionen mittels NADPH2. Im ersten Schritt reduziert die Folatreductase die Folsäure zu Dihydrofolsäure, die Substrat der Dihydrofolatreductase ist. Die übertragenen H-Atome sind in Abbildung 4.20 rot markiert. Die Tetrahydrofolsäure (H4-Folat) fungiert als Akzeptor für Ein-Kohlenstoff-Gruppierungen, die bei verschiedenen Reaktionen im Stoffwechsel entstehen und zur weiteren Verwertung in „aktivierter“ Form verfügbar sein sollten. Die kovalent gebundenen Gruppen können – vor allem durch Dehydrogenasen – reversibel in unterschiedliche Oxidationsstufen überführt werden, so dass unter anderem Methyl-, Methylen-, Methenyl- und Formylreste entstehen. Für alle Ein-Kohlenstoffgruppen kommen ausOH O N

A

C

CH2

N H

C

N H

HC

C N

HN 2

H

N

C

COO -

C CH2

N

CH2 COO

-

Folat OH N

B

CH

CH2

N H

C

HCH

C H2N

O

H N

C

N Pteridin

N H

H N H

C

COO -

CH2 p-Aminobenzoat

CH2 COO Glutamat

Tetrahydrofolat 4.20

A) Pteroylmonoglutaminsäure (Folat) und B) Tetrahydrofolsäure

4 Die Nährstoffe

251

schließlich die Stickstoffatome in Position fünf und Position zehn des Pterinringes als Träger in Frage. Abbildung 4.21 enthält eine Zusammenfassung aller wichtigeren Reaktionen mit H4Folat als Coenzym. Die Aminosäure Serin ist wahrscheinlich die Hauptquelle von EinKohlenstoff-Gruppen. Durch eine Pyridoxalphosphat-abhängige Reaktion wird zunächst die Hydroxymethyl-Gruppe des Serins an das H4-Folat übertragen. Aus diesem Intermediärprodukt entsteht dann durch Austritt von H2O N5,N10-Methylen-H4-Folat (1). Die Reaktion ist reversibel, so dass aus dem ebenfalls entstandenen Glycin auch wieder Serin synthetisiert werden könnte. N5,N10-Methylen-H4-Folat kann durch NADH zu N5-Methyl-H4-Folat reduziert werden (2). Diese Verbindung dient als Methylgruppen-Donator bei verschiedenen Methylierungen. Hierzu zählt jene Reaktion, bei der aus Homocystein Methionin synthetisiert wird. In diesem Fall fungiert das Vitamin B12 in Form von Methylcobalamin als Zwischenträger der CH3-Gruppe (Abschnitt 4.4.2.6). Die CH3-Gruppen zur Methylierung des Cholins stammen ebenfalls vom N5-Methyl-H4-Folat. N5, N10-Methylen-

4.21

Interkonversion der Ein-Kohlenstoff-Einheiten an der Tetrahydrofolsäure

252

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

H4-Folat ist auch in die DNA-Synthese involviert, indem es die Methylgruppen für das Thymin und das Hydroxymethylcytosin zur Verfügung stellt (x). In einer NADP-abhängigen Reaktion kann das N5,N10-Methylen-H4-Folat auch dehydriert werden (3). Das dabei entstandene N5,N10-Methenyl-H4-Folat steht im Gleichgewicht mit N10-Formyl-H4-Folat (4). Diese Verbindung liefert die C2- und C8Atome des Purinkerns (Abbildung 4.5). In kleinen Mengen entsteht das N10-FormylH4-Folat auch durch eine ATP-abhängige direkte Übertragung des Formiats auf die Tetrahydrofolsäure (y). Eine weitere Quelle von Ein-Kohlenstoff-Resten ist die Aminosäure Histidin, deren Abbau über N-Formiminoglutamat (Figlu) verläuft. Der Formiminorest wird ebenfalls auf Tetrahydrofolsäure übertragen (z). Das so entstandene N5-Formimino-H4-Folat geht nach Desaminierung in N5,N10-Methenyl-H4-Folat über (6). Das N5,N10-Methenyl-H4-Folat wird schließlich durch hydrolytische Spaltung der Bindung zwischen dem N10- und dem benachbarten C-Atom in Folinsäure oder N5-Formyl-H4-Folat umgewandelt (5). Dieses Folsäurederivat wird wegen seiner Stabilität gegen O2 in pharmazeutischen Präparaten verwendet. 4.4.2.6

Das Vitamin B12 beteiligt sich an der Katalyse von intramolekularen Umlagerungen und von Methylierungen

Vitamin B12 ist der Gruppenname für Cobalamine mit Vitaminwirksamkeit. Cobalamine bestehen aus einem Corrin-Ringsystem, mit einem zentral angeordneten Cobalt-Atom (Abbildung 4.22). Eine weitere koordinative Bindung des Cobalts bildet über 5,6-Dimethylbenzimidazol-Ribosidphosphat und Aminopropanol eine Brücke zu einem der Pyrrolringe. Die sechste koordinative Bindung des Cobalts kann verschiedene Substituenten tragen: 5⬘-Desoxyadenosyl-, Methyl-, Hydroxyl- und Cyano-Gruppe sowie Wasser. Coenzymfunktion haben beim Menschen das 5⬘-Desoxyadenosylcobalamin und das Methylcobalamin. Das Hydroxocobalamin entsteht in wässeriger Lösung, das Aquocobalamin bei thermischer Behandlung von gelöstem Cobalamin. Das Cyanocobalamin ist wegen seiner Stabilität die bevorzugte Form in Vitaminpräparaten. Das Vitamin B12 wird ausschließlich von Mikroorganismen synthetisiert. Pflanzliche Nahrungsmittel enthalten kein Cobalamin, im Gegensatz zu tierischen, da höhere Tiere insbesondere in der Leber Vitamin B12 speichern. Nach einem komplizierten Resorptionsprozess (Abschnitt 7.8.2) wird das Cobalamin an spezifische Transportproteine, die Transcobalamine, gebunden über das Blut verteilt. Die Zellen internalisieren den Komplex, der sich aus dem Vitamin B12, dem Transportprotein und einem Rezeptorprotein der Zellmembran gebildet hat. Nach lysosomalem Abbau des Komplexes befindet sich das Vitamin als Hydroxocobalamin im Cytosol. Ein Teil des Cobalamins wird in die Mitochondrien aufgenommen und dort in die 5⬘Desoxyadenosyl-Form umgewandelt. Hierfür wird das zweiwertige oder dreiwertige Cobalt mittels FADH und NADH zu einwertigem Cobalt reduziert. Anschließend wird die 5⬘-Desoxyadenosylgruppe, die von ATP geliefert wird, an das Cobalt gebunden. Die Synthese des Methylcobalamins, das ebenfalls Coenzym-Funktion hat, erfolgt im Cytosol. Im Stoffwechsel des Menschen gibt es zwei intramitochondrial ablaufende, enzymatische Reaktionen mit 5⬘-Desoxyadenosylcobalamin als Coenzym: die Methylmalonyl-CoA-Mutase- und die Leucin-2,3-Amino-Mutase-Reaktion. Die erste, in Abbil-

4 Die Nährstoffe

4.22

253

Strukturformel des Coenzym B12 (5⬘-Desoxyadenosylcobalamin)

dung 4.23 dargestellte Reaktion, dient der Umwandlung von Methylmalonyl-CoA, wobei es sich um eine intramolekulare Umlagerung eines Alkylrestes handelt. Dies ist das Endglied der Reaktionsfolge zur Umwandlung von Propionyl-CoA, das unter anderem beim Abbau ungeradzahliger Fettsäuren entsteht, in Succinyl-CoA. Die Leucin-2,3-Amino-Mutase katalysiert in einem Nebenweg des Leucinabbaus die Umlagerung der NH2-Gruppe des Leucins nach Gleichung:

α-Leucin i β-Amino-Isocapronat

(Gl. 4.3)

Im Stoffwechsel des Menschen gibt es ein einziges Enzym mit Methylcobalamin als Coenzym. Es ist die cytosolische N5-Methyltetrahydrofolat-Homocystein-Methyltransferase, mit der Kurzbezeichnung Methionin-Synthase genannt. Die von ihr katalysierte Reaktion ist in Abbildung 4.24 dargestellt. Das „aktivierte Methionin“ oder S-Adenosylmethionin (Abbildung 9.37) geht nach Abgabe seiner CH3-Gruppe an verschiedene Akzeptoren in Homocystein über. Das Homocystein kann durch die Methionin-Synthase remethyliert werden. Als Methylgruppen-Donator fungiert die N5-Methyl-Tetrahydrofolsäure, wobei die direkte Übertragung der CH3-Gruppe nicht möglich ist, sondern des Cobalamins (Vitamin B12) als

254

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

H2C

CH3

C

S

CoA

O

Propionyl-CoA CO2 ATP + H 2 O (Biotin)

Propionyl-CoACarboxylase

ADP + Pi O

C

O

H C

–

CH3

C

S

CoA

O

D-Methylmalonyl-CoA MethylmalonylCoA-Racemase O C O H2C H

–

CH C

S

CoA

O

L-Methylmalonyl-CoA L-MethylmalonylCoA-Mutase O

(Cobalamin)

C

–

O

CH2 CH2 C

S

CoA

O

Succinyl-CoA 4.23

Cobalamin-abhängige Umlagerung von Methylmalonyl-CoA zu Succinyl-CoA

eines Zwischenträgers bedarf. Die Reaktion läuft in Gegenwart von NADPH ab, das das Cobalt-Atom des Vitamin B12 zum einwertigen Co(I) reduziert. Das enzymgebundene Co(I) Cobalamin übernimmt die CH3-Gruppe vom H4-Folat und überträgt sie an die SHGruppe des Homocysteins (Abbildung 4.24). Außer zur Methioninsynthese soll diese Reaktion auch dazu dienen, die Tetrahydrofolsäure, die für die Bildung zahlreicher weiterer Folatverbindungen benötigt wird (Abschnitt 4.4.2.5), zu regenerieren.

4 Die Nährstoffe

4.24

255

Synthese von L-Methionin aus L-Homocystein

4.4.2.7

Das Biotin ist essentieller Cofaktor der Carboxylierungsreaktionen

Biotin ist der Trivialname für die bicyclische Verbindung Hexahydro-2-oxo-1H-thieno [3,4-d] imidazol-4-pentansäure (Abbildung 4.25). Tierische Nahrungsmittel enthalten das Biotin in Form von ε-N-Biotinyllysin, auch Biocytin genannt, das heißt an Enzymproteine gebunden.

4.25

Strukturformel des Biotins

Bei der Bildung des Holoenzyms der Biotin-abhängigen Carboxylasen kommt zwischen der ε-Aminogruppe eines Lysylrestes im aktiven Zentrum und dem Biotin eine kovalente Säureamidbindung zustande. Bei allen Carboxylierungen bildet das System Bicarbonat/ATP den Carboxyl-Donator. Die Reaktionsfolge ist in Abbildung 4.26 dargestellt. Im ersten Schritt erfolgt die Carboxylierung des Biotins zu Carboxybiotin, im zweiten wird der aktivierte Carboxylrest auf das Substrat übertragen. Es gibt vier Biotin-abhängige Carboxylierungen, die im Intermediärstoffwechsel von großer Bedeutung sind: 1. Durch die Pyruvat-Carboxylase-Reaktion wird als einleitende Reaktion der Gluconeogenese das Pyruvat in Oxalacetat überführt (Abschnitt 9.3.3). 2. Durch die Acetyl-CoA-Carboxylase entsteht das Malonyl-CoA, das bei der Fettsäuresynthese zur Kettenverlängerung um zwei C-Einheiten dient (Abbildung 4.26). Die Bildung von Malonyl-CoA ist der entscheidende Schritt der Fettsäuresynthese.

256

4.26

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Biotin-abhängige Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA

3. Die Propionyl-CoA-Carboxylase katalysiert den ersten Schritt zur Einführung von Propionyl-CoA in den Tricarbonsäurecyclus (Abbildung 4.23) 4. Die β -Methylcrotonyl-CoA-Carboxylase spielt beim Abbau von Leucin (Abschnitt 9.4.3.3) und einigen Isoprenoid-Abkömmlingen eine Rolle.

4.4.2.8

Die Pantothensäure ist Baustein des Coenzym A

Die Pantothensäure ist eine Verbindung aus β-Alanin und aus 2,4-Dihydroxy-3,3-dimethylbutyrat, auch Pantoinsäure genannt (Abbildung 4.27) Die Pantothensäure ist Bestandteil des Coenzym A, das im Stoffwechsel jeder Zelle durch Kopplung mit ATP und Cystein synthetisiert wird. Coenzym A, dessen Strukturformel in Abbildung 4.27 dargestellt wird, ist ein wichtiger Cofaktor zahlreicher Reaktionen im Intermediärstoffwechsel, unter anderem im Tricarbonsäurecyclus, bei der Fettsäure-, Cholesterin- und Ketonkörpersynthese sowie bei Acetylierungen. Die Rolle des Coenzym A ist in der Aktivierung von Metaboliten zu sehen, die an die endständige SH-Gruppe des Coenzyms unter Ausbildung eines Thioesters angelagert werden. Wegen der Bedeutung der SH-Gruppe für die Metabolitaktivierung wird für das Coenzym A auch die Abkürzung CoA-SH benutzt. Die Hydrolyse von Thioestern liefert etwa genau so viel Energie wie die ATP-Spaltung. Eine besonders wichtige CoA-abhängige Reaktion ist die Aktivierung des Acetylrestes zu Acetyl-CoA, das als zentrale Verbindung des gesamten Intermediärstoffwechsels bezeichnet werden kann (Abschnitt 5.2), indem es die katabolen Prozesse mit der

4.27

Strukturformel der Pantothensäure und des Coenzym A

4 Die Nährstoffe

257

Gewinnung von biochemischer Energie verbindet. Als 4-Phosphopantethein ist die Pantothensäure auch prosthetische Gruppe des Acylcarrierproteins, das eine Domäne der Fettsäuresynthase darstellt (Abschnitt 10.2.1.1).

4.4.2.9

Das Vitamin C hat die Funktion eines Redox-Systems

Die Bezeichnung Vitamin C wird synonym mit Ascorbinsäure verwendet. L-Ascorbinsäure ist ein 2,3-Endiol-L-Gulonsäure-γ-Lacton, die Dehydroascorbinsäure ein 2Oxo-L-Gulonsäure-γ-Lacton (Abbildung 4.28). Die radikalische Zwischenstufe wird Semidehydroascorbinsäure genannt. Die drei Formen bilden ein reversibles RedoxSystem. Im Verlauf der Evolution verloren der Mensch und einige weitere Wirbeltiere infolge einer Genmutation die Fähigkeit, Ascorbinsäure aus Glucose zu synthetisieren. Die biochemischen Funktionen der Ascorbinsäure lassen sich in drei Kategorien einteilen: Sie wirkt als Antioxidans, als Elektronendonator und als „Schutzfaktor“. Die exakte Abgrenzung dieser Funktionen ist oft schwierig. Ascorbinsäure wirkt als wasserlösliches Antioxidans, das zur Ein-Elektronenübertragung befähigt ist. Besondere Bedeutung dürfte die antioxidative Wirkung der Ascorbinsäure bei der Eliminierung von Lipid-Peroxidradikalen unter Einbeziehung von Vitamin E haben. H

H

O

O

H O

+e–, –H+ O

O

CH

CH2OH

–e–, +H+ O

O

O

OH

L-Ascorbinsäure

4.28

O

+e–, –H+ CH

CH2OH

OH

L-Semidehydroascorbinsäure

O

–e–, +H+ O

O

CH

CH2OH

OH

L-Dehydroascorbinsäure

Die Ascorbinsäure als Redox-System

Außer diesem allgemeinen antioxidativen Effekt hat die Ascorbinsäure auch spezifische Wirkungen bei enzymatischen Reaktionen, die in Abwesenheit von Vitamin C nicht oder nur außerordentlich langsam ablaufen. Tabelle 4.8 enthält eine Liste derartiger Reaktionen. Sie lassen sich in zwei Gruppen einteilen: In die erste Gruppe gehören enzymatische Reaktionen, die mit der Kollagen- und der Carnitinbiosynthese im Zusammenhang stehen und neben O2 auch α-Ketoglutarat als Cosubstrat benötigen. Man nimmt an, dass die Ascorbinsäure bei diesen vier Hydroxylase-Reaktionen eine Schutzfunktion ausübt, indem sie die Oxidation des Fe2+ verhindert. Die Bedeutung dieser spezifischen Funktion wird deutlich, wenn man in Betracht zieht, welche gravierenden Symptome bei Vitamin C-Mangel im Bindegewebsstoffwechsel auftreten. Zur zweiten Gruppe gehören die durch die Dopamin-β-Monooxygenase, die 4-Hydroxypyruvat-Hydroxylase und die Peptidylglycin-amidierende-Monooxygenase katalysierten Reaktionen. Auch an diesen Katalysen sind Schwermetalle beteiligt. Die Ascorbinsäure dürfte in diesem Fall die Rolle eines Elektronendonators spielen, da sie in einem stöchiometrischen Verhältnis zum hydroxylierten Substrat verbraucht wird.

258

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Tabelle 4.8: Enzymatische Reaktionen mit Ascorbinsäure als Cofaktor Enzymatische Reaktion

Cosubstrate/Metalle

Biologische Bedeutung

Hydroxylierung von Prolin (2 Enzyme)

O2/α-Ketoglutarat/Fe2+

Biosynthese von Kollagen

O2/α-Ketoglutarat/Fe2+ O2/α-Ketoglutarat/Fe2+

Biosynthese von Kollagen

Hydroxylierung von Dopamin

O2/Cu2+

Biosynthese von Noradrenalin

Hydroxylierung von 4-Hydroxyphenylpyruvat

O2/Fe2+

Abbau von Tyrosin

Amidierung von Peptiden mit C-terminalem Glycin

O2/Fe2+

Synthese von Peptidhormonen mit Cterminalem Glycin

Hydroxylierung von Lysin Hydroxylierung von Trimethyllysin

Biosynthese von Carnitin

4.5 Die Mineralstoffe werden auch als anorganische Nährstoffe bezeichnet Die Begriffe Mineralstoffe und anorganische Nährstoffe werden in der Ernährungsphysiologie meistens synonym verwendet. Mit beiden Bezeichnungen versucht man diese Nährstoffe von denen abzugrenzen, die – wie die Kohlenhydrate, Lipide und Proteine – mit der Nahrung als organische Verbindungen aufgenommen werden und als solche ihren Funktionen im Organismus genügen. Tatsächlich ließe sich der Bedarf an Mineralstoffen grundsätzlich auch mit anorganischen Salzen decken; sie wären für die zahlreichen Aufgaben, die sie im Stoffwechsel ausüben, verwertbar. Alleinige Ausnahme dürfte das Cobalt sein, das – soweit bekannt – im menschlichen Stoffwechsel einzig und allein im Vitamin B12 eine Funktion hat (Abschnitt 4.4.2.6) und dessen Einbau in das Corrin-Ringsystem bei höheren Lebewesen nicht möglich ist. Pflanzliche und tierische Lebensmittel enthalten die Mineralstoffe allerdings nur zum Teil als anorganische Verbindungen. Dies trifft zweifelsohne für das Natrium und das Chlorid zu, die in der Nahrung vor allem als Kochsalz, das heißt in anorganischer Form vorhanden sind. Eisen und Zink kommen dagegen in den Lebensmitteln fast ausschließlich als Bestandteile organischer Komplexe vor; das Eisen zum Beispiel als Zentralatom des Hämoglobins und sonstiger Porphyrine, das Zink an zahlreiche organische Liganden gebunden. Die Liste ließe sich fortsetzen. Es ist also Ansichtssache, ob man die Mineralstoffe als anorganische Nährstoffe ansieht und sie auch so bezeichnet, oder sie unter dem ebenfalls nicht sehr eindeutigen Begriff Mineralstoffe zusammenfasst. Im Gegensatz zu den organischen Makronährstoffen – den Kohlenhydraten, Lipiden und Proteinen – werden die Mineralstoffe als solche im eigentlichen Sinne nicht verstoffwechselt. Charakteristisch für sie ist vielmehr, dass sie je nach physiologischem Zustand des Organismus eventuell in größeren Mengen deponiert, aus den Depots freigesetzt und zwischen verschiedenen Kompartimenten verschoben werden. Manche von

4 Die Nährstoffe

259

ihnen wechseln die Liganden, mit denen sie interagieren. Es wäre zutreffender statt über Mineralstoffwechsel über Mineralstoffumsatz* zu sprechen. Ein Umsatz an Mineralstoffen besteht insofern, als sie über mehrere Wege ausgeschieden werden, und die Verluste durch alimentäre – eventuell auch nicht alimentäre – Zufuhr zu ersetzen sind. Der Körperbestand muss nämlich, in einer für jeden Mineralstoff charakteristischen Höhe, aufrechterhalten werden. Die Homöostase der meisten essentiellen Mineralstoffe wird durch Hormone garantiert. Dieser Aspekt wurde bereits bei den entsprechenden Hormonen ausführlich behandelt (siehe insbesondere die Abschnitte 1.4.5.2 bis 1.4.5.5).

4.5.1 Nur etwa ein Viertel der Elemente des Periodensystems sind „Bioelemente“ Von den mehr als 100 Elementen des Periodensystems wurden im Verlauf der Evolution 21 – eventuell auch einige mehr – als solche ausgewählt, die für den Ablauf des Stoffwechsels des Menschen benötigt werden. Diese Bioelemente sind in Abbildung 4.29 im Periodensystem der Elemente gekennzeichnet. Die Frage, weshalb bestimmte Elemente für den Aufbau und den Betrieb lebender Systeme geeignet sind und andere nicht, ist eine bereits lange diskutierte Frage der Evolutionsbiologie. Vier der Bioelemente, der Kohlenstoff, der Wasserstoff, der Sauerstoff und der Stickstoff, sind bekanntlich Bausteine organischer Moleküle, das heißt der Kohlenhydrate, der Lipide, der Proteine, der Nucleinsäuren und vieler anderer mehr sowie des Wassers. Hauptsächlich aus diesen besteht die gesamte Biomasse der Erde. Der Entstehung der belebten Materie aus diesen Elementen galt seit jeher das Interesse der Evolutionsbiologen. Es wurden plausible Theorien entwickelt und deren Gültigkeit in Laboratorien geprüft. 2 He

1

1 H

2

3 Li

4 Be

5 B

6 C

7 N

8 O

9 F

10 Ne

3

11 Na

12 Mg

13 Al

14 Si

15 P

16 S

17 Cl

18 Ar

4

19 K

20 Ca

21 Sc

37 Rb 55 6 Cs

38 Sr

39 Y

33 As 51 Sb

34 Se 52 Te

35 Br 53 I

36 Kr 54 Xe

83 Bi

84 Po

85 At

86 Rn

5

7 87 Fr

24 Cr

25 Mn

26 Fe

42 Mo

43 Tc

56 57-71 72 73 74 Ba La* Ta W Hf 88 89-103 * Lanthaniden Ra Ac** **Actiniden

75 Re

22 Ti 40 Zr

23 V 41 Nb

Grundbausteine organischer Verbindungen

4.29

28 Ni 46 Pd

29 Cu 47 Ag

30 Zn 48 Cd

31 Ga

44 Ru

27 Co 45 Rh

49 In

32 Ge 50 Sn

76 Os

77 Ir

78 Pt

79 Au

80 Hg

81 Tl

82 Pb

Mengenelement

essentielle Spurenelemente

möglicherweise essentielle Spurenelemente

Die Bioelemente im Periodensystem

* Es ist insbesondere in der populärwissenschaftlichen Literatur üblich, auch den Ausdruck „Mineralhaushalt“ zu verwenden.

260

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Alle anderen Bioelemente des Periodischen Systems werden zu den Mineralstoffen gerechnet. Es hat sich eingebürgert, die Mineralstoffe ausschließlich nach quantitativem Aspekt in die Kategorie der Mengenelemente (Makroelemente) und der Spurenelemente (Mikroelemente, Oligoelemente) einzuteilen*. Als Mengenelemente werden jene bezeichnet, an denen der Tagesbedarf über 100 mg liegt. Entsprechend liegt die empfohlene tägliche Zufuhr bei den Spurenelementen unter 100 mg. Zur Grenzziehung zwischen Mengen- und Spurenelementen kann man auch den Gesamtkörperbestand eines Erwachsenen verwenden. Beträgt dieser bei einem 70 kg schweren Mann mehr als 10 g, so handelt es sich um ein Mengenelement, bei weniger als 10 g um ein Spurenelement. Der Eisenbestand wird mit 4 bis 5 g beziffert; Eisen gehört also zu den Spurenelementen. Die rein quantitative Einteilung der Mineralstoffe in Mengen- und Spurenelemente sagt nichts über deren Funktion aus. Zu den Mengenelementen – die ausnahmslos essentiell sind – zählen die Alkalimetalle Natrium und Kalium sowie die Erdalkalimetalle Calcium und Magnesium, die Nichtmetalle Phosphor, Schwefel und Chlor. Ob man Schwefel zu den Mineralstoffen zählt oder zur Gruppe der Elemente, die Bausteine organischer Verbindungen sind, ist Ansichtssache. Der Schwefel wird fast ausschließlich mit der Sulfhydrylgruppe schwefelhaltiger Aminosäuren aufgenommen. Im Stoffwechsel entsteht daraus allerdings auch anorganischer Schwefel in Form von SO42–, das bei verschiedenen Konjugationsreaktionen weiter verwendet werden kann. Die im Periodensystem markierten Spurenelemente gehören zwei Untergruppen an: 1. Spurenelemente, deren essentieller Charakter zweifelsfrei feststeht und 2. solche, bei denen Hinweise auf ihre Lebensnotwendigkeit gefunden wurden, ohne dass diese einwandfrei bewiesen wäre. Essentiell ist bekanntlich ein Nährstoff dann, wenn er bestimmte molekular definierte, biochemische Effekte ausübt, bei denen er durch keine andere Substanz ersetzt werden kann. Den essentiellen Charakter eines Spurenelementes zweifelsfrei nachzuweisen, bereitet besondere Schwierigkeiten, die vor allem darin liegen, dass die Mengen, die eine biologische Wirkung ausüben, außerordentlich gering sind. Eine Kontamination mit derartigen Spurenstoffen, die ubiquitär sind, ist nur unter extrem sauberen experimentellen Bedingungen zu vermeiden. Weiter kompliziert wird der Nachweis der Essentialität durch die schwierige Analytik der Spurenelemente. Erschwerend wirkt auch, dass die biochemische Wirkung der Spurenelemente in manchen Fällen speziesspezifisch ist. Somit können im Tierversuch gewonnene Ergebnisse nicht ohne weiteres auf den Stoffwechsel des Menschen übertragen werden. Andererseits lassen sich am Menschen schon aus ethischen Gründen keine Untersuchungen über die metabolische Rolle von Spurenstoffen durchführen. Dadurch ist es zu erklären, dass über die Essentialität einer Reihe von Spurenelementen keine eindeutige, experimentell gesicherte Aussage getroffen werden kann. Es ist jedoch zu erwarten, dass mit dem Fortschritt der experimentellen Techniken – insbesondere neuartiger Methoden – Klarheit über den essentiellen beziehungsweise nicht-essentiellen Charakter der heute als „möglicherweise essentiell“ eingestuften Spurenelemente geschaffen werden kann. Es ist auch durchaus denkbar, dass sich die Anzahl der möglichen „Kandidaten“ der Essentialität noch vergrößert. Als essentiell gelten nach heutiger Auffassung zehn Spurenelemente: Eisen, Zink, Kupfer, Mangan, Molybdän, Selen, Chrom, Cobalt, Jod und Fluor. Aufgrund von in vitro Untersuchungen und Tierexperimenten wird die Essentialiät folgender weiterer * Die häufg verwendete Einteilung in Mineralstoffe und Spurenelemente ist grundsätzlich abzulehnen, da dabei das Einteilungsprinzip gewechselt wird (Mineralstoff, das heißt anorganisch versus Spurenelement, das heißt Menge!).

4 Die Nährstoffe

261

Spurenelemente als wahrscheinlich angenommen: Vanadium, Nickel, Aluminium, Silicium, Zinn, Arsen. Es werden mehrere Theorien diskutiert, um zu erklären, weshalb sich einige Elemente im Verlauf des Evolutionsprozesses als Bioelemente bewährt haben, andere hingegen nicht. Bekanntlich entstand das Leben sehr wahrscheinlich im Meer. Die hohe Verfügbarkeit bestimmter Elemente in diesem Milieu war sicherlich ein Selektionskriterium. Wie Tabelle 4.9 ausweist, ist die Konzentration der Mengenelemente im Meerwaser – mit Ausnahme des Phosphors – hoch. Sie boten sich daher als Bioelemente an. Da sie sich wohl als solche bewährt haben, wurden sie beim allmählichen Aussiedeln von Lebewesen auf das Festland als Mengenelemente „mitgenommen“. Die Verfügbarkeit war nur eines der Auswahlkriterien für die Bioelemente. Die Weiterentwicklung der Lebewesen stellte sicherlich wachsende Anforderungen an die Katalyse. Zunächst handelte es sich wahrscheinlich um eine einfache Metallkatalyse. Deren Effizienz kann um mehrere Größenordnungen gesteigert werden, wenn das Metall über eine organische Verbindung koordiniert wird. Abbildung 4.30 macht dies am Beispiel des Häm-haltigen Enzyms Katalase (Abschnitt 1.2.5.1; Gleichung 1.3) deutlich. Die Intensität der Katalyse durch das dreiwertige Eisen des Ferrihydroxyds lässt sich um drei Zehnerpotenzen erhöhen, wenn das Eisen in den Porphyrinring des Häms integriert wird. Um weitere sieben Zehnerpotenzen lässt sich die Umsatzrate steigern, wenn sich das Häm im aktiven Zentrum der Katalase befindet. Voraussetzung für eine derartig spektakuläre Verbesserung der katalytischen Wirksamkeit eines Spurenmetalls ist, dass das betreffende Element die Fähigkeit besitzt, mit organischen Liganden Komplexe zu bilden. Diese Eigenschaft weisen die Übergangsmetalle auf, insbesondere Eisen und Zink. Vor etwa zwei Milliarden Jahren häufte sich der Sauerstoff zunehmend in der bis dahin reduzierenden Erdatmosphäre an. Evolutionär erfolgreiche Lebewesen entwickelten effektive aerobe Stoffwechselwege. Eine besondere Bedeutung errangen unter diesen Bedingungen Elemente, die zu Interaktionen mit Sauerstoff befähigt waren. Diese finden sich in der Reihe der Übergangselemente. Eisen zum Beispiel, das häufigste Übergangselement der Erde, nimmt als Hämoglobin-Eisen am Transport von Sauerstoff im Blut teil (Abschnitt 8.4.2) und ist Bestandteil zahlreicher elektronenübertragender Proteine.

Tabelle 4.9: Konzentration von Mengen- und Spurenelementen im Meerwasser (in mmol × L–1) Mengenelemente

Spurenelemente

Chlor

536

Silicium

0,107

Selen

0,00005

Natrium

456

Fluor

0,068

Kupfer

0,00005

56

Chrom

0,001

Mangan 0,00004 Cobalt

Magnesium Schwefel

(SO2– 4 )

Calcium Kalium Phosphor

(HPO42–)

28

Jod

0,0005

10

Eisen

0,0002

9,7

Zink

0,00016

0,001

Molybdän

0,00011

0,00001

262

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

CH3 H

H O

H H

CH3 H

O

O

HC

H

Fe3+

CH N

H3C N -

H

O

O

H

H

O H

CH

CH2

OOC

H

CH3

Fe

CH2

N CH

N CH

HC

CH3

H

CH2

Ferri-Ion in wässriger Lösung v = 10–5 mmol × sec–1 bei 0 °C

CH3

CH2 -

COO

Häm v = 10–2 mmol × sec–1 bei 0 °C

HN

C

C

C

N

H

H N

N

(Häm)

N

N

Protein

Fe

H HN

C

N

C

C

H

Katalase v = 105 mmol × sec–1 bei 0 °C 4.30

Vergleich der katalytischen Effizienz von Fe3+, Häm und Katalase

4.5.2 Die Mineralstoffe haben strukturbildende, katalytische und regulatorische Funktionen Tabelle 4.10 bietet einen stichwortartigen Überblick über die wichtigsten physiologisch-biochemischen Funktionen der Mengenelemente. Viele dieser Funktionen sind an entsprechenden Stellen im Zusammenhang mit dem Zellstoffwechsel bereits im er-

4 Die Nährstoffe

263

Tabelle 4.10: Die wichtigsten physiologisch-biochemischen Funktionen der Mengenelemente Element (chem. Zeichen)

Körperbestand g × 70 kg–1

Funktionen

Calcium (Ca)

1 000 bis 1 200

90 % Hartgewebe (Apatit); Reizübermittlung (Muskel; Neuronen); Stabilisierung von Biomembranen; Signaltransfer (third messenger); enzymatische Katalyse (z. B. Calcium/Calmodulin-Kinasen)

Phosphor (P)

500 bis 800

ca. 80 % Hartgewebe (Apatit); organische P-Verbindungen (Nucleinsäuren, Phosphoproteine, Phospholipide, „aktivierte“ Metaboliten)

Magnesium (Mg)

20 bis 30

95 % intrazellulär; enzymatische Katalyse (P-Gruppenübertragung, ATP2–Mg2+Komplex)

Schwefel (S)

-

als SH-Gruppe von Cys und Meth in Redox-Systemen (SH i S=S); als SO42– in sulfatierten Mucopolysacchariden, Cerebrosiden; Konjugation bei Entgiftungsreaktionen

Natrium (Na)

ca. 100

Hauptkation des Extrazellulärraumes; Bioelektrizität; Osmoregulation

Kalium (K)

ca. 150

Hauptkation des Intrazellulärraumes; Bioelektrizität; Osmoregulation; enzymatische Katalyse

Chlor (Cl)

80 bis 100

Hauptanion des Extrazellulärraumes (enge Verbindung mit Na); Bioelektrizität; Osmoregulation; Magen-Salzsäure

sten Teil des Lehrbuches ausführlich besprochen worden. Weiterhin sei insbesondere auf die Abschnitte 8.3.5 bis 8.3.9 verwiesen, in denen auf die Aufgaben der Elektrolyte im Blutplasma detailliert eingegangen wird. Die Tabelle 4.11 enthält eine Aufstellung über die wesentlichen biochemischen Funktionen der essentiellen Spurenelemente. Manche dieser Wirkungen sind ebenfalls im Zusammenhang mit dem Stoffwechsel erörtert worden. Es sei beispielsweise an die Funktion des Eisens beim Sauerstofftransport erinnert.

264

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Tabelle 4.11: Die wichtigsten physiologisch-biochemischen Funktionen der essentiellen Spurenelemente Element (chem. Zeichen)

Körperbestand mg × 70 kg–1

Funktionen

Eisen (Fe)

4 000 bis 5 000

O2-Transport (Hämoglobin); ElektronenTransfer

Zink (Zn)

1 500 bis 2 500

enzymatische Katalyse (> 300 Enzyme); Stabilisierung biologischer Membranen; in DNA-bindenden Proteinen („Zn-Finger“); Speicherung von Insulin

Kupfer (Cu)

75 bis 150

enzymatische Katalyse; ElektronenTransfer; Interaktion mit Fe

Mangan (Mn)

12-20

enzymatische Katalyse

Selen (Se)

14-30

als Selenocystein in Glutathionperoxidase u. Typ I-Thyroxin-5⬘-Dejodase; antioxidatives Schutzsystem

Molybdän (Mo)

5,0 bis 9,3

Enzymatische Katalyse; ElektronenTransfer

Jod (J)

12 bis 20

Schilddrüsenhormone (T3 und T4)

Cobalt (Co)

1 bis 2

Vitamin B12 (Cobalamin)

Chrom (Cr)

0,6 bis 1,4

Glucose-Toleranzfaktor (Cr3+); Cofaktor bei Insulin/Insulin-Rezeptor-Wechselwirkung

2,6 bis 6,5

Mineralisierung der Zahnhartsubstanz

Fluor (F)

4.6 Das Wasser ist ebenfalls ein essentieller Nährstoff Die Biomoleküle lebender Zellen existieren und reagieren fast ausschließlich in einem wässrigen Milieu. Dank der Polarität des Wassermoleküls lösen sich Kristallgitter in diesem Medium leicht auf, und die entstandenen Ionen umgeben sich mit einer Hydrathülle. Als Konsequenz bewegen sich Ionen in wässrigen Lösungen beinahe unabhängig voneinander, wodurch sich ihre Reaktionsfähigkeit stark erhöht. Das Wasser modifiziert auch die Eigenschaften von Makromolekülen, wie Nucleinsäuren, Proteinen und Kohlenhydraten, indem es mit den polaren funktionellen Gruppen dieser Moleküle leicht spaltbare Wasserstoffbrücken bildet. Durch diese Interaktion ändert sich die Konformation von Biomolekülen in zahlreichen Fällen so, dass damit die räumliche Voraussetzung für das Zustandekommen biochemischer Reaktionen geschaffen wird. Auch die hydrophobe Wechselwirkung unpolarer Moleküle, wie der Lipide, mit dem Wasser ist eine Grundvoraussetzung für viele ihrer biologischen Funktionen. Eine elementare Rolle spielen solche hydrophobe Interaktionen bei der Selbstorganisation

4 Die Nährstoffe

265

biologischer Strukturen, beispielsweise der Faltung von Nucleinsäuren und Proteinen, sowie bei der Bildung von Quartärstrukturen. Außerdem tritt das Wasser als Reaktionspartner in zahlreichen biochemischen Reaktionen auf, wozu es durch seine Polarität und seine hohe Konzentration in biologischen Systemen befähigt ist. Die Spaltung kovalenter Bindungen von Biopolymeren durch Wasseranlagerung bei der Hydrolyse ist nur eines der Beispiele. Bei der Umkehr dieser Prozesse, das heißt bei Kondensationsreaktionen, entsteht Wasser. Es ist auch eines der Endprodukte des oxidativen Stoffwechsels. Die Aufrechterhaltung der Konstanz des wässrigen inneren Milieus ist für jede Zelle – und für jeden Organismus – eine absolute Lebensnotwendigkeit und wird durch homöostatische Regelvorgänge gewährleistet. Wasser war wahrscheinlich das Medium, in dem sich Biomoleküle zuerst zu lebenden Systemen organisiert haben, und kein anderes Lösungsmittel könnte bei den Organismen der Erde das Wasser – mit seinen besonderen physikochemischen Eigenschaften – ersetzen. Das Wasser muss daher als essentieller Nährstoff eingestuft werden. Die Befriedigung des Wasserbedarfs hat Vorrang gegenüber der Befriedigung des Bedarfs an sonstigen essentiellen Nährstoffen. Der Mensch kann mehrere wochenlang auf Zufuhr von anderen Nährstoffen verzichten, ein absoluter Mangel an Wasser ist dagegen nur wenige Tage mit dem Leben vereinbar.

4.6.1 Wasseraufnahme und Wasserabgabe müssen im Gleichgewicht stehen Die Wasserbilanz muss – genauso wie die Elektrolytbilanz* – ausgeglichen sein. Obligate und fakultative Wasserverluste müssen innerhalb kurzer Zeit durch Zufuhr einer adäquaten Wassermenge kompensiert werden. Tabelle 4.12 zeigt als Beispiel die Tageswasserbilanz eines Erwachsenen. Sowohl die Posten der Abgabe- als auch die der Aufnahmeseite einer derartigen Bilanz können beträchtlich schwanken. Sie gilt daher nur für die jeweils gewählten Bedingungen. Für das berechnete Beispiel wurde angenommen, dass es sich um die Bilanz einer „Standardperson“ mit einer Körperoberfläche von 1,72 m2 handelt, die sich in einem angenehm temperierten Raum in Ruhe aufhält. Unter diesen Bedingungen beträgt der unvermeidliche Wasserverlust über die Oberfläche der Haut und durch die Atemluft – der als perspiratio insensibilis („unbemerktes Schwitzen“) bezeichnet wird – etwa 840 ml pro Tag. Erhöhte Umgebungstemperatur und körperliche Anstrengung, die mit erhöhter Atemfrequenz und Schweißabsonderung verbunden ist, können diesen Posten, der selbstverständlich auch eine Funktion der Körperoberfläche ist, merklich erhöhen. Auf der Abgabeseite der Bilanz sind noch zwei weitere Posten zu verbuchen: Mit 100 ml ist der Wasserverlust mit den Fäzes eingesetzt und mit 760 ml die Wasserabgabe mit dem Urin. Für die Berechnung des obligaten Urinvolumens wurde die Menge der osmotisch wirksamen Teilchen zugrunde gelegt, die unter den Bedingungen des Beispiels anfallen und als „harnpflichtige“ Substanzen renal ausgeschieden werden müssen (Abschnitt 12.2). Mengenmäßig ins Gewicht fallen der Harnstoff als Endprodukt des Proteinstoffwechsels und das in der Nahrung enthaltene NaCl. Die Kochsalzzufuhr wurde im Beispiel mit 156 mmol NaCl angesetzt und die Kochsalzbilanz als ausgeglichen angenommen. Da die Fähigkeit der Niere, osmotisch wirksame Teilchen zu konzentrieren, * Der Wasserhaushalt ist untrennbar mit dem Elektrolythaushalt verknüpft, der in den Abschnitten 8.36 und 12.2.2.2 behandelt wird.

266

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Tabelle 4.12: Beispiel einer Tageswasserbilanz Wasserabgabe (ml/Tag)

Wasseraufnahme (ml/Tag)

obligat

obligat

Perspiratio insensibilis

840

Urin

760

Kot obligates Minimum

fakultativ Präformiertes Wasser der Nahrung

750

Oxidationswasser aus der Nahrung

320

100

Trinkwasser

630

1 700

obligates Minimum

1 700

1 000 und mehr

fakultativ

1 000 und mehr

Daten aus: Deetjen, P., Boylan, J.W., Kramer, K. (1976) Niere und Wasserhaushalt 3. Aufl. S. 109

genau limitiert ist (Abschnitt 12.2), bedarf es einer bestimmten Menge an Lösungswasser, die für die Bedingungen des Beispiels mit etwa 760 ml berechnet wurde. Auf der Aufnahmeseite der Bilanz sind 750 ml „präformiertes“ Wasser der Nahrung verbucht. Dabei wird angenommen, dass die Bezugsperson eine Nahrungsmenge von 1,25 kg pro Tag verzehrt und diese Nahrung im Mittel zu 60 % aus Wasser besteht. Bei der oxidativen Verstoffwechselung der Hauptnährstoffe – Kohlenhydrate, Triglyceride und Proteine – ensteht unterschiedlich viel Oxidationswasser: Beim Abbau von 1 g Kohlenhydrat entstehen 0,6 g, von 1 g Triglycerid 1,0 g, und von 1 g Protein – bei Metabolisierung bis zur Stufe des Harnstoffs – 0,4 g Wasser. Für die Berechnung im Beispiel wurde eine Nahrung zugrundegelegt, die aus 300 g Kohlenhydrat, 100 g Triglycerid und 100 g Protein besteht. Die Metabolisierung der Kohlenhydrate liefert also 180 g, der Triglyceride 100 g und der Proteine 40 g Oxidationswasser. Damit beide Seiten der Bilanz ausgeglichen sind, ergibt sich auf der Aufnahmeseite ein obligater Trinkwasserbedarf von 630 ml. Es ist evident, dass beide Seiten der Bilanz auch eine fakultative Komponente enthalten können. Bei hoher Umgebungstemperatur und/oder schwerer körperlicher Aktivität können beträchtliche Mengen an Wasser – im Extremfall bis zu 20 Liter – durch den Schweiß verloren gehen. Zum Bilanzausgleich müssen die Verluste durch vermehrtes Trinken ausgeglichen werden. Andererseits können beträchtliche Mengen an Flüssigkeit auch über den Bedarf hinaus getrunken werden. Zum Bilanzausgleich wird der Überschuss in Form eines verdünnten Urins renal ausgeschieden.

4.6.2 Der Wasserbestand des Organismus ist ungleichmäßig verteilt Ein erwachsener, „normalgewichtiger“ Mensch besteht im Mittel zu etwa 60 % aus Wasser; der Wasserbestand einer 60 bis 70 kg schweren Person beträgt also 36 bis 42 kg. Bereits ein Wasserverlust, der etwa 10 % des Körpergewichtes ausmacht, führt beim Erwachsenen zu schwerwiegenden Stoffwechselstörungen. Ein Verlust von mehr als 20 %

4 Die Nährstoffe

267

ist mit dem Leben nicht vereinbar. Noch wesentlich empfindlicher reagieren Säuglinge und Kleinkinder auf eine unausgeglichene Wasserbilanz. Verschiedenartige Zellen enthalten unterschiedlich viel Wasser. Eine Leberzelle beispielsweise besteht zu etwa 70 %, eine Fettzelle im Durchschnitt zu 20 % aus Wasser. Noch wesentlich größer ist der Unterschied im relativen Wassergehalt der einzelnen Gewebe des Menschen, da diese bekanntlich verschieden hohe zelluläre Anteile und mit unterschiedlichen Materialien ausgefüllte Zwischenzellräume aufweisen. Es sei beispielsweise auf den sehr hohen extrazellulären Anteil an Calciumsalzen im Knochengewebe hingewiesen. Die Extreme liegen zwischen 0,2 % Wasseranteil im Zahnschmelz und 99 % im Glaskörper des Auges. Das Skelett enthält 20 bis 25 %, das Fettgewebe etwa 30 %, das Muskelgewebe 73 bis 76 % und das Bindegewebe 80 % Wasser, um nur einige Gewebe mit großer Masse zu erwähnen. Die Differenz im relativen Wassergehalt von Fettgewebe und von sonstigen Geweben, die einen wesentlichen Anteil des Körpergewichtes ausmachen, bedingt, dass „große magere“ und „kleine dicke“ Personen erheblich unterschiedliche Wasserbestände aufweisen, wenn man diese auf das Gesamtkörpergewicht bezieht (Abbildung 4.31). Wie aus Abbildung 4.31 ebenfalls zu ersehen ist, differiert der prozentuale Anteil von Fettgewebe und fettfreier Körpermasse auch bei Männern und Frauen. Daraus folgt, dass auch der prozentuale Anteil des Wassers am Gesamtkörpergewicht bei den Geschlechtern unterschiedlich ist. Der Anteil des Wassers am Gesamtkörpergewicht des Menschen nimmt im allgemeinen mit steigendem Lebensalter ab. Als Durchschnittswerte nimmt man für den „normalgewichtigen“ erwachsenen Mann einen Wasseranteil von 60 %, für einen nicht adipösen Greis von 55 %, für die erwachsene „normalgewichtige“ Frau von 50 %, und für den reifen Neugeborenen von 75 % an. Das Wasser verteilt sich auf zwei Hauptflüssigkeitsräume: den Intrazellulärraum (IZF = Intrazellulärflüssigkeit) und den Extrazellulärraum (EZF = Extrazellularflüssigkeit). Die EZF bildet wiederum zwei Teilkompartimente: die interstitielle Flüssig-

Frauen

Fett

Fett

22%

18% 32%

42%

16%

Fett

"klein/dick"

Wasser

sonstigeTrockensubstanzen

Wasser

60%

50%

25% 20

Fett

70% 40

sonstigeTrockensubstanzen

60

"groß/schlank"

"klein/dick"

Wasser

80

sonstigeTrockensubstanzen

"groß/schlank” Wasser

100

sonstigeTrockensubstanzen

Männer

42%

18% 5%

4.31

Prozentualer Anteil von Wasser, Fett und sonstigen Trockensubstanzen (Proteine, Kohlenhydrate, Nucleinsäuren u. a.) am Gesamtkörpergewicht in Abhängigkeit von Geschlecht und Konstitution

268

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

keit und die intravasale Flüssigkeit. Die interstitielle Flüssigkeit füllt die Zellzwischenräume (Interstitium) aus und umgibt die Zellen mit einem Flüssigkeitsmantel, der als „inneres Milieu“ aufgefasst werden kann. Die intravasale Flüssigkeit befindet sich als Plasmawasser im Blutgefäßsystem. Wie aus Abbildung 4.32 hervorgeht, ist der prozentuale Anteil des intrazellulären Wassers und des Plasmawassers am Gesamtwasserbestand beim Erwachsenen und Kleinkind gleich, während der interstitielle Anteil beim Kleinkind mit 25 % erheblich größer ist als beim Erwachsenen mit 15 %. Der „Wasserreichtum“ des Kleinkindes ist somit auf den höheren interstitiellen Raum zurückzuführen. 100

Erwachsener

Kleinkind

90

Prozent der Körpermasse

80 70 60 50

Plasma

5%

Interstitium

25%

Plasma

5%

Interstitium

15%

40 30 20 10

intrazellulär

40%

intrazellulär 40%

4.32

Wasserverteilung auf die Flüssigkeitsräume beim Kleinkind und beim Erwachsenen in Prozent des Körpergewichtes. Der Wasseranteil der Gesamtkörpermasse wurde beim Kleinkind mit 70 %, beim Erwachsenen mit 60 % angenommen

Zur EZF wird auch das „transzelluläre Wasser“ des Liquor cerebrospinalis, der Augenkammer sowie des Pleura-, Perikard- und Peritonealraumes gerechnet. Zu diesem Kompartiment wird gelegentlich auch das Wasser im Magendarmtrakt und der ableitenden Harnwege gezählt, dessen Menge starken Schwankungen unterliegt. Dies ist insofern nicht korrekt, als diese Kompartimente im strengen Sinne Extrakorporalräume sind. Zwischen den einzelnen Flüssigkeitsräumen findet ein ständiger Wasseraustausch statt, der – wie Abbildung 4.33 zeigt – zwischen dem Intrazellulärraum und dem interstitiellen Raum, sowie zwischen dem interstitiellen und dem intravasalen Raum in beiderlei Richtungen erfolgen kann. Über den Magendarmtrakt, als Vermittler zwischen dem Innen- und Außenraum des Körpers, wird Wasser dem intravasalen Raum zugeführt und von dort auch in den Magen und Darm abgegeben. Über Haut, Lunge und Niere ist der Flüssigkeitsstrom unidirektional und das Wasser wird extrakorporal eliminiert. Osmotische Gradienten zwischen Extra- und Intrazellulärraum können nur kurzfristig bestehen. Die Dehydratation des Extrazellulärraumes führt daher zwangsläufig auch zu Wasserverlusten der Zelle. Erwartungsgemäß beeinträchtigt dies die Stoffwechselprozesse jeder Zelle. Am stärksten betroffen ist jedoch die Funktion der Zellen des ZNS, was sich in den bekannten neurologischen Erscheinungen bei starker Dehydratation – Lethargie, Krämpfe und schließlich Koma – manifestiert. Die Zellen besit-

4 Die Nährstoffe

269

Magen

Haut Lunge

Darm

intravasal 8%

Niere

interstitiell 28 %

intrazellulär 64 %

4.33

Wasseraustausch zwischen den Flüssigkeitsräumen und Wasserabgabe über die Ausscheidungsorgane. Prozente auf den Gesamtwasserbestand bezogen

zen die Möglichkeit, die Wasserverluste durch eine Autoregulation bis zu einem gewissen Grade auszugleichen, indem Elektrolyte, vor allem Kalium und Bicarbonat, aber auch Glucose im Zellinneren zurückgehalten werden. Die so entstandene intrazelluläre Hyperosmolalität bewirkt einen Einstrom von Wasser und damit einen Ausgleich des Zellvolumens.

4.6.3 Die Wasseraufnahme wird durch den Durst gesteuert, die Wasserabgabe hormonell auf renaler Ebene geregelt Wie bereits ausgeführt (Abschnitt 4.6.1), ist es unvermeidbar, dass der menschliche Organismus eine bestimmte Quantität an Wasser abgibt und zum Ausgleich der Bilanz eine ebensolche Menge an Wasser obligat zuführt. Der Bilanzausgleich des essentiellen Nährstoffs Wasser muss sehr präzise gesteuert werden. Auf der Aufnahmeseite erfolgt die Steuerung durch den Durst und unterscheidet sich prinzipiell von der auf der Abgabeseite der Bilanz, wo die Wasserausscheidung auf der Ebene der Niere hormonell geregelt wird. Um den Akt der Flüssigkeitsaufnahme in Gang zu bringen, muss das ZNS über den Wassermangel informiert werden. Dies geschieht über das Gefühl von Durst. Der Begriff Durst bezeichnet eine Allgemeinempfindung, die bei negativer Wasserbilanz auftritt und mit dem Verlangen Flüssigkeit aufzunehmen verbunden ist. Ähnlich dem Hunger kann auch der Durst keinem bestimmten Sinnesorgan oder Körperstruktur zugeordnet werden. Trockenheit von Mund und Kehle wird zwar gelegentlich mit dem Gefühl von Durst in Verbindung gebracht. Diese Sensation kann jedoch aus verschiedenen Gründen auch auftreten, ohne dass die Flüssigkeitsbilanz negativ wäre, und hat mit dem physiologisch als Wassermangel definierten Durst nichts zu tun.

270

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Der Durst tritt als Empfindung ins Bewusstsein, wenn die Durstschwelle überschritten wird, das heißt, wenn der Wasserverlust etwa 0,5 % des Körpergewichtes, beziehungsweise etwa 350 ml überschreitet. Die Existenz dieser physiologischen Durstschwelle soll wahrscheinlich verhindern, dass bei jedem geringgradigen Wasserverlust ein Trinkbedürfnis entsteht. An sich ist die Menge der aufgenommenen Flüssigkeit von geringer Bedeutung, sobald der Bilanzausgleich hergestellt ist. Der Überschuss wird durch die Niere eliminiert. Dennoch wird auch für die Wasseraufnahme ein Sollwert postuliert, da übermässiges Trinken – schon wegen der Notwendigkeit der Ausscheidung des Überschusses – als physiologisch ineffizient angenommen wird. Zwei physiologische Variablen sind für die Steuerung des Flüssigkeitshaushaltes von Bedeutung: das Volumen des Blutplasmas und die Osmolalität* des Blutplasmas. Beide Variablen werden durch separate, aber miteinander verknüpfte Mechanismen geregelt. Die Änderungen des Blutvolumens werden auf der Niederdruckseite des Kreislaufs registriert – im rechten Vorhof des Herzens und in den Wänden der anschließenden großen Venen –, wo Dehnungsrezeptoren lokalisiert sind. Auf starke Volumenveränderungen können auch arterielle Barorezeptoren im Aortenbogen und im Sinus carotis ansprechen. Diese Signale werden wahrscheinlich an das ZNS weitergeleitet und initiieren die Wasseraufnahme direkt, indem sie Durst auslösen. Die Abnahme des Blutvolumens hat einen weiteren Effekt: Sie führt zur Ausschüttung von Renin und setzt damit die in Abbildung 4.34 dargestellte Folge von Ereignissen in Gang. Das Renin ist ein Enzym, das in den juxtaglomerulären Zellen der Niere synthetisiert und in das Blut sezerniert wird. Das Substrat des Renins ist das Angiotensinogen, ein Glykoprotein, das aus der Leber, möglicherweise auch aus anderen Geweben, stammt und ebenfalls in das Blut abgegeben wird. Das Renin spaltet aus dem Angiotensinogen, ein Peptid aus 14 Aminosäureresten, ein Decapeptid, das Angiotensin I, ab. Dieses ist das Substrat einer weiteren Peptidase, des angiotensin converting enzyme (ACE), das vor allem an den Endothelzellen und glatten Muskelzellen verankert ist. Das ACE spaltet ein Dipeptid vom Angiotensin I ab – vor allem während der Durchströmung der Lunge – wodurch das Angiotensin II entsteht. Dieses Octapeptid, das im Blut zirkuliert, übt einen starken konstriktorischen Effekt auf die Arteriolen aus und steigert so rasch den Blutdruck. Außer der gefäßverengenden Wirkung hat das Angiotensin II noch weitere direkte und indirekte Effekte, die mit dem Wasserhaushalt im Zusammenhang stehen. In erster Linie kontrolliert es die Biosynthese und Sekretion des Aldosterons (Abschnitt 1.4.5.2). Dabei wird die Wirkung des Angiotensin II auf die Zellen der Zona glomerulosa der Nebennierenrinde, die das Mineralocorticoid synthetisieren, durch G-Proteingekoppelte AT1-Rezeptoren vermittelt. Es wird der Phosphatidylinositolcyclus aktiviert und es kommt zu einer erhöhten intrazellulären Calciumkonzentration (Abschnitt 1.1.3.9). Die Wirkung des Aldosterons zielt hauptsächlich auf die corticalen Abschnitte der Sammelrohre der Nierentubuli. Dem molekularen Wirkungsmechanismus der Steroide entsprechend, entfaltet das Aldosteron seine Wirkung im Zellkern, wo es die Transkription spezieller Gene auslöst. Hierdurch kommt es unter anderem zur vermehrten Synthese von Natriumkanalproteinen, die in die apikale Membran der Tubuluszelle integriert werden. Die Rückresorption des Natriums aus dem Sammelrohr wird damit sehr stark gefördert, was einen osmotisch bedingten Wassereinstrom und eine entspre* Konzentration osmotisch wirksamer Teilchen bezogen auf ein kg Wasser.

4 Die Nährstoffe

271

Plasmavolumen Glomerulus Aminosäuren

+ Renin Leber? Aminosäuren

Angiotensinogen

+

Blut

Angiotensin I Lungenblut Angiotensin converting enzyme Angiotensin II NNR Cholesterin

+ Aldosteron

+ Natrium-Rückresorption im distalen Tubulus

Plasmaosmolalität

Hypothalamus AS

+ Adiuretin

+ Wasser-Rückresorption im distalen Tubulus 4.34

Plasmavolumen

Regulation des Wasserhaushaltes durch das Renin-Angiotensin-Aldosteron-AdiuretinSystem. NNR = Nebennierenrinde

272

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

chende Blutdruckerhöhung nach sich zieht. Allein dieses Beispiel zeigt eindeutig, dass der Elektrolyt- und Wasserhaushalt untrennbar miteinander verbunden sind. In den Regelkreis des Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems greift der atriale natriuretische Faktor (ANF) im Sinne eines Antagonisten ein. Dieses vor allem im rechten Vorhof des Herzens gebildete Peptidhormon inhibiert in der Niere die Renin-Sekretion und hemmt die Wirkung des Aldosterons. Weiterhin blockiert es in der Nebennierenrinde die durch Angiotensin II induzierte Stimulation der Aldosteron-Sekretion. Weitere Zielzellen des Angiotensin II befinden sich im Gehirn. Über diese kommt es einerseits zur direkten Auslösung von Durst gefolgt von Wasseraufnahme, andererseits zur Stimulierung der Sekretion von Adiuretin (Vasopressin). Damit das im Blut zirkulierende Angiotensin II diese Wirkungen auslösen kann, müssen die Zielzellen in Gehirnbereichen liegen, in denen die Blut-Hirn-Schranke überwunden werden kann. Solche Regionen sind tatsächlich im subfornicalen Organ entdeckt worden. Diese kleine neuronale Struktur, die sich in den dritten Ventrikel erstreckt, wird von fenestrierten Kapillaren versorgt und erlaubt den Durchtritt kleiner Peptide wie den des Angiotensin II. Das subfornicale Organ spricht auf sehr niedrige Angiotensin II-Konzentrationen an. Seine Reaktion wird dem Hypothalamus über Nervenbahnen gemeldet, die ein angiotensinähnliches Molekül als Transmitter verwenden. Demnach übt das gleiche Peptid einerseits die Rolle eines Hormons, andererseits die eines Neurotransmitters aus, um den Wasserhaushalt zu steuern. Das präoptische Areal erhält genauso wie der Nucleus paraventricularis auch Informationen von Barorezeptoren, die zentral und peripher verteilt sind. Die Integration dieser Informationen führt schließlich einerseits zu Wasseraufnahme, die durch Durst stimuliert wird, andererseits zu Wasserretention über die Wirkung des Adiuretins. Das Adiuretin (antidiuretisches Hormon, ADH), ein cyclisches Nonapeptid (Abbildung 4.35), wird in neurosekretorischen Neuronen, die in mehreren paraventrikulären Kernen des Hypothalamus lokalisiert sind, synthetisiert. Das Hormon gelangt mittels H Cys

Tyr Phe

S

Gln

S

4.35

Cys

Asn

Pro

Arg

Gly

NH2

Struktur des antidiuretischen Hormons (Synonyme: Adiuretin, ADH, Vasopressin)

4 Die Nährstoffe

273

Neurophysine als Transportvermittler entlang der Axone in den Hypophysenhinterlappen, wo es gespeichert wird. Primäres physiologisches Signal zur Ausschüttung von Adiuretin ist die erhöhte Plasmaosmolalität. Dieser Stimulus wird durch Osmorezeptoren im Hypothalamus sowie durch Barorezeptoren vermittelt, die im Herz und in verschiedenen Regionen des Kreislaufsystems lokalisiert sind. Das ADH wird bereits bei einem Anstieg der Plasmaosmolalität um ein mosm/kg Wasser vermehrt freigesetzt. Die maximale ADH-Sekretion wird erreicht, wenn die Plasmaosmolalität über 295 mosm × kg–1 Wasser ansteigt. Wie bereits erwähnt, stimuliert auch das Angiotensin II die Ausschüttung des ADH. Acetylcholin und Nicotin erhöhen ebenfalls die Sekretion, während Ethanol sie hemmt. Zielorgan des Adiuretin (ADH) ist ebenfalls die Niere, wo es die Wasserresorption im Sammelrohr fördert. Der Wirkungsmechanismus des ADH bei diesem Prozess ist in Abbildung 4.36 dargestellt. Die apikale Membran der Epithelzellen, die das Sammelrohr zum Tubuluslumen hin auskleiden, ist im unstimulierten Zustand für das Wasser nicht permeabel. In diesen Epithelzellen befinden sich zahlreiche Vesikel, in deren Membran Wasserkanalproteine (Aquaporine) integriert sind. Bindet von der Blutseite her das ADH an ADH-spezifische V2-Rezeptoren dieser Epithelzellen, wird die Adenylat-Cyclase G-Protein-vermittelt aktiviert. Die Konzentration des cAMP und des intra-

H2 O

H2 O

Sammelrohrzelle

Tubuluslumen

Tubuluslumen

ATP Adenylat cyclase

ADH

ATP Sammelrohrzelle

Adenylat cyclase

ADHRezeptor

cAMP Blut

Blut 2+

Ca

"dicht"

Vesikel mit "Wasserkanälen"

2+

Ca

H2 O H2 O

H2 O

Osmolalität

ohne ADH sind die Sammelrohrzellen dicht für Wasser

4.36

Osmolalität

Kanalproteine ermöglichen Wassereinstrom in die hypotone Umgebung (Zelle, Interstitium, Plasma)

Wirkungsmechanismus des Adiuretins bei der Rückresorption von Wasser durch das Sammelrohr der Niere

274

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

zellulären Calciums steigt an, was zur Fusion der Vesikel mit der apikalen Membran führt. Die Wasserkanalproteine werden in die Membran integriert, und es kommt zu einer dramatischen Erhöhung der Wasserrückresorption. Dieser Vorgang dauert so lange an, bis der Urin die maximale osmotische Konzentration von 1 200 mosm× kg–1 erreicht. Es wird angenommen, dass nicht nur Signale existieren, die das Trinken auslösen, sondern auch solche, die das Beenden der Wasseraufnahme veranlassen. Für ihre Existenz spricht die Tatsache, dass der Trinkakt, der beispielsweise durch ein Absinken des extrazellulären Flüssigkeitsvolumens ausgelöst wurde, beendet wird, lange bevor der Volumenmangel ausgeglichen ist. Möglicherweise wird durch dieses Verhalten einer Hyperhydrierung vorgebeugt, da die Resorption des Wassers gegenüber der Wasserzufuhr durch das Trinken zeitlich erheblich verzögert ist. Dieses Phänomen, das wohl eine übermäßige Wasseraufnahme verhindern soll, wird als präresorptive Durststillung bezeichnet. Die dafür verantwortlichen Rezeptoren und Mechanismen sind nicht bekannt. Es scheinen jedoch der Trinkakt selbst und Dehnungsrezeptoren des Magens daran beteiligt zu sein. Erst wenn das Wasser vollständig resorbiert worden ist, wird ein noch vorliegendes Defizit in der Bilanz durch weiteres Trinken ausgeglichen.

5

Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen

Jede Zelle – und somit auch jeder Organismus – braucht Energie um zelltypische Bausteine zu synthetisieren, osmotische Gradienten aufrechtzuerhalten, Substanzen aktiv gegen Konzentrationsgradienten zu transportieren und mechanische Arbeit zu leisten. Die für diese Arbeitsleistungen notwendige Energie muss lebenden Systemen von außen zugeführt werden. Bei autotrophen Organismen geschieht dies hauptsächlich in Form von Sonnenlicht, das heißt als physikalische Energie, die zum Aufbau organischer Substanzen eingesetzt wird. Heterotrophe Organismen sind dagegen auf chemische Energie angewiesen. Höhere Tiere nehmen diese in Form von Nährstoffen aus ihrer Umgebung auf. Die hauptsächlichen Energieträger des menschlichen Stoffwechsels sind – wie bereits erwähnt – die Lipide und Kohlenhydrate der Nahrung. Prinzipiell können auch weitere Moleküle, insbesondere Proteine, zur Energiegewinnung herangezogen werden (Abschnitt 4.3). Sollen die relativ komplexen organischen Moleküle der Nahrung zur Gewinnung von Energie dienen, so müssen sie zu niedermolekularen Produkten abgebaut werden. Die Prozesse, die dabei eingesetzt werden, bilden den katabolen Stoffwechsel. Unter der Bezeichnung anaboler Stoffwechsel werden hingegen jene Vorgänge zusammengefasst, die zum Aufbau und zur Speicherung von Zell- beziehungsweise Körpersubstanz führen. In der Regel entsteht bei katabolen Stoffwechselvorgängen freie Enthalpie. Als freie Enthalpie (freie Energie) ΔG wird der in Arbeit umwandelbare Anteil der Enthalpie bezeichnet. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass der bei chemischen Reaktionen freigesetzte Energiebetrag nicht vollständig zu biochemischer Arbeit genutzt werden kann. Somit kommt es stets zu einem Verlust an Energie in Form von Wärme und Entropie, die in lebenden Organismen nicht in biologisch verwertbare Energie umgewandelt werden können. Wie Abbildung 5.1 deutlich macht, sind der katabole und der anabole Stoffwechsel über den Energiezustand des Systems miteinander verbunden. Der Katabolismus führt zur Umwandlung der höher molekularen Nährstoffe in die energiearmen Endprodukte CO2, H2O und NH3. Gleichzeitig wird biologische Energie in Form von ATP, NADH und NADPH gewonnen. Diese Metaboliten (Energieträger) ermöglichen den Ablauf anaboler Vorgänge, bei denen aus niedermolekularen Vorstufen komplexe Makromoleküle, wie Proteine, Polysaccharide, Lipide und Nucleinsäuren entstehen. Das Umschalten des Stoffwechsels von Katabolismus auf Anabolismus und umgekehrt, ist eine hochkomplexe, regulatorische Leistung des Organismus, die alle Steuerungsmechanismen beansprucht. Verallgemeinernd lässt sich feststellen, dass der aktuelle Vorrat, beziehungsweise Bedarf an biologischer Energie, der zentrale Steuerungsfaktor für das Umschalten zwischen den beiden gegenläufigen Stoffwechselabläufen ist. Der momentane Energiezustand einer Zelle wird als Energieladung (energy charge) bezeichnet. Sie wird durch das Konzentrationsverhältnis der drei Adenosinphosphate ATP, ADP und AMP nach folgender Gleichung charakterisiert:

276

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

energieliefernde Nährstoffe

makromolekulare Bausteine

Kohlenhydrate Fette Proteine

Proteine Lipide Polysaccharide Nucleinsäure

katabol

ADP+HPO 42NAD+ NADP+

anabol

ATP NADH NADPH

Energiegewinnung

energiearme Endprodukte CO2 H2O NH3 5.1

Vorstufen Aminosäuren Fettsäuren Saccharide Stickstoffbasen

Katabole und anabole Stoffwechselwege und ihre Beziehung zur Stoffwechselenergie

E =

[(ATP) + 0,5(ADP)] [(ATP) + (ADP) + (AMP)]

(Gl. 5.1)

wobei E = Energieladung ist. Für den Fall, dass ausschließlich AMP vorhanden ist, ist E = 0. Enthält das System ausschließlich ATP, beträgt der Wert für E = 1. Eine hohe Energieladung hemmt die katabolen Stoffwechselwege über allosterische Beeinflussung von Schlüsselenzymen, zum Beispiel der Phosphofructokinase der Glykolyse (Abschnitt 9.3.3), und aktiviert gleichzeitig die anabolen Stoffwechselwege. In vivo liegt die Energieladung meist um 0,8 und ist in diesem Bereich empfindlich regulierbar.

5 Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen

277

5.1 Beim anaeroben Abbau von Nährstoffen entsteht das ATP durch Substratkettenphosphorylierung Bei der Verstoffwechselung organischer Substrate kann aus Metaboliten, die Phosphat in energiereicher Bindungsform enthalten, direkt ATP gewonnen werden, indem der Phosphatrest auf ADP übertragen wird. Diese Art des ATP-Gewinns wird als Substratkettenphosphorylierung (Substratstufenphosphorylierung) bezeichnet. Das bekannteste diesbezügliche Beispiel ist die ATP-Produktion während des Abbaus von Glucose in der glykolytischen Kette (Abschnitt 9.3.1). Abbildung 5.2 zeigt die Reaktionsfolge der neun enzymatischen Schritte der Glykolyse, wobei die für die Energiebilanz wesentlichen Schritte mit den Buchstaben a bis f bezeichnet werden. Im Schritt a wird zur Aktivierung von Glucose zu Glucose-6-phosphat 1 mol ATP in die Reaktionsfolge eingeführt. Ein weiteres ATP-Molekül muss im Schritt b zur Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat zur Verfügung gestellt werden. Im Glucose

ATP

a Glucose-6-phosphat

Fructose-6-phosphat

ATP

b Fructose1,6-bisphosphat

c Dihydroxyacetonphosphat

2x Glycerinaldehyd-3-phosphat 2x Pi

d

2 NADH

2x 1,3-Bisphosphatglycerat e

2 ATP

2x 3-Phosphoglycerat

2x 2-Phosphoglycerat

2x Phosphoenolpyruvat f

2 ATP

2x Pyruvat 5.2

Für die Energiebilanz wesentliche Schritte der glykolytischen Kette

278

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Schritt c entstehen durch Aldolspaltung aus dieser C6-Verbindung zwei phosphorylierte C3-Moleküle. Vom Glycerinaldehyd-3-phosphat führt die Glykolyse dann weiter, nicht jedoch vom Dihydroxyacetonphosphat. Dieses wird durch eine Triosephosphat-Isomerase in Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt. Im Schritt d wird das Glycerinaldehyd-3-phosphat unter Bildung von NADH dehydriert. Gleichzeitig wird anorganisches Phosphat in das Molekül eingeführt (Substratkettenphosphorylierung). Das entstandene 1,3-Bisphosphatglycerat enthält eine gemischte Säureanhydridbindung. Die Phosphoglyceratkinase hydrolysiert im Schritt e diese Bindung, womit die Bildung von 1 mol ATP energetisch gekoppelt ist. Im letzten Schritt f der Kette entsteht durch die Pyruvatkinase aus dem Phosphoenolpyruvat, das der Phosphorsäureester der Enolform des Pyruvats ist, das Endprodukt der Kette, das Pyruvat. Die freie Enthalpie dieser Hydrolyse ist sehr hoch und es wird ein weiteres mol ATP gebildet. In der Glykolyse werden pro mol Glucose 2 mol ATP zur Aktivierung eingesetzt und pro C3-Fragment 2 mol ATP – pro mol Glucose also 4 mol ATP – gebildet. Damit wird ein Nettogewinn von 2 mol ATP pro mol Glucose erzielt. Außerdem entstehen noch 2 mol NADH, das bei aerobem Ablauf der Glykolyse als Substrat der oxidativen Energiegewinnung dienen kann (Abschnitt 5.2). Die beschriebene Reaktionsfolge der Glykolyse kann auch in Abwesenheit von Sauerstoff ablaufen. Dies ist für den Skelettmuskel von Bedeutung, wenn unter anaeroben Bedingungen Energie gewonnen werden soll. Für den Erythrocyten, der keine Mitochondrien und somit auch nicht die Möglichkeit der oxidativen Energiegewinnung besitzt, ist die Substratkettenphosphorylierung die einzige ATP-Quelle. Für die meisten Zellen ist sie allerdings nur ein Nebenweg der ATP-Gewinnung, da diese das Pyruvat in die Mitochondrien einschleusen, wo es über die Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion in Acetyl-CoA überführt wird (Abschnitt 9.3.4).

5.2 Der überwiegende Teil nutzbarer biologischer Energie wird durch den oxidativen Abbau der Nährstoffe gewonnen Die evolutionär ältere anaerobe Bildung von ATP aus Nährstoffen, beispielsweise aus Glucose in der glykolytischen Kette, ist wenig effektiv. Das Pyruvat als Endprodukt dieser Reaktionsfolge enthält noch eine erhebliche Menge an potentiell nutzbarer chemischer Energie. Das Pyruvat und viele weitere Verbindungen können beim aeroben Abbau viel wirkungsvoller für die ATP-Produktion genutzt werden. Der oxidative Katabolismus der Nährsubstrate wurde im Verlauf der Evolution erst möglich, nachdem sich – wahrscheinlich als eine Folge der photosynthetischen Aktivität von Cyanobakterien – molekularer Sauerstoff in der Erdatmosphäre angereichert hatte. Es ist anzunehmen, dass unter diesen Bedingungen nach und nach O2-verbrauchende Reaktionsvorgänge an die bis dahin anaerob ablaufenden katabolen Prozesse bestimmter heterotropher Einzeller angekoppelt wurden. Der Energiegewinn aus den Nährsubstraten erhöhte sich hierdurch signifikant, und dies bedeutete einen beträchtlichen evolutionären Vorteil. Wie bereits ausgeführt, sind nach der Endosymbionten-Theorie die Mitochondrien eukaryotischer Zellen Abkömmlinge von Prokaryoten, die die Fähigkeit zum oxidativen Stoffwechsel besaßen (Abschnitt 1.2.6.1). Mit der Integration derartiger Einzeller

5 Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen

279

konnten auch die „Wirtszellen“ den evolutionären Vorteil dieser, um das Vielfache effektiveren, Energiegewinnung nutzen. Im Verlauf der weiteren Evolution bewährte sich diese Symbiose und aus den Prokaryotenzellen entwickelten sich die Mitochondrien als Organellen der Eukaryotenzelle. Wie bereits erwähnt, ist das ursprüngliche Genom der Prokaryoten im Mitochondrion nur noch rudimentär erhalten (Abschnitt 1.2.6.1). Dieses Organell ist also keineswegs mit der ursprünglichen Prokaryotenzelle identisch. Was beide allerdings verbindet, ist die beinahe identische Art der Energiegewinnung mittels der oxidativen Phosphorylierung. Die für diese Prozesse verantwortlichen Proteine sind integrale Bestandteile sowohl der Plasmamembran von Prokaryotenzellen als auch der inneren Membran der Mitochondrien von Eukaryotenzellen. Normalerweise leben die meisten Eukaryotenzellen und auch viele Bakterien unter aeroben Bedingungen und oxidieren ihre organischen Brennstoffe vollständig zu CO2 und H2O. Dieser Prozess der oxidativen Energiegewinnung wird – mit einem nicht sehr glücklich gewählten mehrdeutigen Begriff – auch als Zellatmung bezeichnet. Die oxidative Verstoffwechselung der Nährsubstrate soll zur besseren Übersicht in vier hintereinander geschaltete Prozessfolgen gegliedert werden: In der ersten Stufe werden die Moleküle der energieliefernden Nährstoffe zu C2-Fragmenten in Form von Acetyl-CoA abgebaut. Wie Abbildung 5.3 zeigt, liefert sowohl der Katabolismus der Kohlenhydrate als auch der der Lipide Acetyl-CoA. Der Abbau einiger Aminosäuren ergibt ebenfalls Acetyl-CoA. Die katabolen Schritte, die von den einzelnen Ausgangssubstanzen zu Acetyl-CoA, dem zentralen Molekül des gesamten Intermediärstoffwechsels, führen, tragen je nach Nährstoff individuelle Züge. Sie werden im Zusammenhang mit dem Stoffwechsel auf Organebene besprochen. Das gleiche gilt für die anabolen Vorgänge, die von Acetyl-CoA als Substrat ausgehen. Die wichtigsten der dabei entstehenden Substanzen sind im rechten Teil von Abbildung 5.3 ebenfalls aufgelistet. In der zweiten Stufe werden die Acetylreste in den Tricarbonsäurecyclus eingespeist und über mehrere enzymatische Schritte zu CO2 oxidiert. Die bei der Oxidation Cholesterinester

Phospholipide

IsopentenylCholesterin pyrophosphat Triglyceride Stärke Glykogen Saccharose

Fettsäuren

Serin

Acetyl-CoA

Pyruvat

Acetoacetyl-CoA

Leucin Isoleucin

Oxalacetat

Fettsäuren

Triglyceride

CDP-Diglyceride

Citrat CO2 CO2

5.3

Steroidhormone

Mevalonat

Alanin Glucose

Gallensäuren

Acetyl-CoA im Zentrum kataboler und anaboler Prozesse

Phospholipide

280

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

freigesetzte Energie wird in den reduzierten Coenzymen NADH und FADH2 konserviert. In der dritten Stufe geben die im Tricarbonsäurecyclus entstandenen reduzierten Cofaktoren – neben Reduktionsäquivalenten aus anderen Quellen – Protonen und Elektronen ab. Über eine Folge von elektronenübertragenden Molekülen, Atmungskette genannt, werden die Elektronen an O2 weitergereicht, wobei der Sauerstoff zu H2O reduziert wird. Die Energie, die durch den Elektronenübertragungsprozess frei wird, dient zum Aufbau eines elektrochemischen Gradienten über die innere Membran des Mitochondrions, in der und an der alle Komponenten der Atmungskette lokalisiert sind. In der vierten Stufe der oxidativen Energiegewinnung wird schließlich die im Protonengradienten gespeicherte Energie zur Synthese von ATP aus ADP und Pi verwendet.

5.2.1 Die Reaktionsfolge des Tricarbonsäurecyclus liefert den Hauptanteil der Reduktionsäquivalente für die Atmungskette Der Tricarbonsäurecyclus, auch Citratcyclus oder nach seinem Entdecker Krebs-Cyclus genannt, stellt eine cyclische Prozessfolge dar. Sie wird durch acht Enzyme katalysiert und ist zwischen Substratabbau zu Acetyl-CoA (Abschnitt 9.3.4) und der oxidativen Phosphorylierung (Abschnitt 5.2.2) eingeschaltet. Tabelle 5.1 fasst die Reaktionen des Tricarbonsäurecyclus typisierend zusammen. Tabelle 5.1: Die Einzelreaktionen des Tricarbonsäurecyclus Schritt Reaktion

Enzym

prosthetische Typ* Gruppe

1

Acetyl-CoA + Oxalacetat + H2 O → Citrat + CoA + H+

Citrat-Synthase

2

Citrat a cis-Aconitat + H2O

Aconitase

Fe-S

b

3

cis-Aconitat + H2O a Isocitrat

Aconitase

Fe-S

c

4

Isocitrat + a α-Ketoglutarat + CO2 + NADH

IsocitratDehydrogenase

d+e

5

α-Ketoglutarat + NAD+ + CoA a Succinyl-CoA + Co2 + NADH

α-Ketoglutarat- Liponsäure, Dehydrogenase- FAD, TPP Komplex

d+e

6

Succinyl-CoA + Pi + GDP a Succinat + GTP + CoA

Succinyl-CoASynthetase

f

7

Succinat + FAD (enzymgebunden) a SuccinatFumarat + FADH2 (enzymgebunden) Dehydrogenase

8

Fumarat + H2O a L-Malat

9

NAD+

NAD+

L-Malat

+ + NADH + H+

* Reaktionstyp:

a Oxalacetat

a) Kondensation

b) Dehydratisierung

a

FAD, Fe-S

e

Fumarase

c

MalatDehydrogenase

e

c) Hydratisierung

d) Decarboxylierung

e) Oxidation

Molekularer Sauerstoff beteiligt sich nicht direkt am Tricarbonsäurecyclus. Der Cyclus verläuft trotzdem nur unter aeroben Bedingungen, da NAD+ und FAD in den Mi-

5 Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen

281

Acetyl-CoA O

H2O NADH+H

CH3

C

CoA-SH

CoA

S

Oxalacetat

+

O

C

COO-

CitratSynthase

COO-

CH2

CH2 HO

C

COOCOOCOO-

CH2

Citrat

+

NAD

MalatDehydrogenase

COO-

HO

Malat

H2O

Aconitase

CH

CH2

CH2

C

COOCOO-

C

COO-

COO-

cis-Aconitat H2O

H

Fumarase

H2O

Aconitase

COO-

Fumarat

CH2

CH HC COO-

FADH2 FAD

Succinat

COO-

CH2

-

COO-

α -Ketoglutarat -

SuccinatThiokinase

Dehydrogenase-

5.4

GDP (ADP) +P i

C

S

CH2 CH2 C

COO-

CH2

HO

C

NAD+

CoA

O

COOCOO- Isocitrat COO-

H

COO-

NAD+ NADH+H+ CO2

COO-

α-Ketoglutarat

O

CH2

CoA-SH GTP (ATP)

C

IsocitratDehydrogenase

SuccinatDehydrogenase CH2

H

CoA-SH

NADH+H+

CO2

Succinyl-CoA

Die Reaktionsschritte des Tricarbonsäurecyclus

tochondrien nur durch Elektronenübertragung auf molekularen Sauerstoff regeneriert werden können. Während die Glykose sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen stattfinden kann, ist der Tricarbonsäurecyclus strikt aerob. Die Glykose (9.3.1) kann anaerob verlaufen, weil NAD+ bei der Überführung von Pyruvat in Lactat regeneriert wird. Alle Enzyme des Tricarbonsäurecyclus sind intramitochondrial lokalisiert. Die Succinat-Dehydrogenase ist ein integraler Bestandteil der inneren Mitochondrienmembran und ist gleichzeitig Bestandteil der Atmungskette. Die anderen sieben Enzyme des Cyclus befinden sich in der Matrix. Die einzelnen Reaktionsschritte des Tricarbonsäurecyclus sind in Abbildung 5.4 dargestellt. Sie gehören zu den am besten untersuchten biochemischen Vorgängen und sind in jedem anspruchsvollen Lehrbuch der Biochemie detailliert beschrieben (siehe Literaturempfehlungen). Ihre Kenntnis wird als Basiswissen vorausgesetzt. Im folgenden soll daher nur auf jene Prozesse eingegangen werden, die mit der Gewinnung biologi-

282

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Acetyl-CoA

Oxalacetat NADH+H

Citrat

+

NAD+

Isocitrat NAD+

Malat CO 2

NADH+H

+

α-Ketoglutarat Fumarat

CO2

FADH 2 FAD

Succinat

Succinyl-CoA

NAD+ NADH+H

+

GTP (ATP)

5.5

Entstehung von Reduktionsäquivalenten im Tricarbonsäurecyclus

scher Energie in unmittelbarem Zusammenhang stehen. Abbildung 5.5 zeigt diese schematisiert. Die für den oxidativen Abbau bestimmten Kohlenstoffketten der Kohlenhydrate und der Fettsäuren treten über das Acetyl-CoA in den Cyclus ein. Auch der Abbau einiger weniger Aminosäuren liefert Acetyl-CoA. Aus den Kohlestoffgerüsten anderer Aminosäuren entstehen Intermediate, – α-Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat, Oxalacetat –, die an entsprechenden Stellen als solche in den Tricarbonsäurecyclus gelangen können (Abschnitt 9.4.3). Gleichung 5.2 beschreibt die Bilanz der Reaktionen im Tricarbonsäurecyclus: Acetyl-CoA + 3NAD + FAD + GDP (oder ADP) + Pi + 2H2O → 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP (oder ATP) + 2H+- + CoA

(Gl. 5.2)

Bei einem Umlauf des Tricarbonsäurecyclus entstehen also pro mol Acetyl-CoA 2 mol CO2, 3 mol NAHD und 1 mol FADH2. Durch die oxidative Phosphorylierung gewinnt die Zelle aus diesen reduzierten Coenzymen letztlich 11 mol ATP (Abschnitt 5.2.3). Außerdem entsteht bei der Umwandlung von Succinyl-CoA in Succinat durch Substratkettenphosphorylierung ein weiteres energiereiches Triphosphat in Form von GTP. Die Spaltung der Thioesterbindung des Succinyl-CoA ist mit der Phosphorylierung von Guanosindiphosphat (GDP) zu GTP gekoppelt. Da 1 mol GTP 1 mol ATP energetisch äquivalent ist, werden aus 1 mol Acetyl-CoA im Tricarbonsäurecyclus und der anschließenden Oxidation der Reduktionsäquivalente in der Atmungskette 12 mol ATP gewonnen.

5 Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen

5.2.1.1

283

Der Tricarbonsäurecyclus ist amphibol

Der Substratabbau im Tricarbonsäurecyclus dient in erster Reihe der Produktion von Reduktionsäquivalenten (Abbildung 5.5) und damit der Energiegewinnung. Als Nebeneffekt könnte jedoch der Cyclus mehrere anabole Vorgänge mit Substraten, die in seinem Verlauf entstehen, versorgen. Er hat somit einen amphibolen Charakter. Es hängt von der jeweiligen Stoffwechsellage – und nicht zuletzt von dem spezifischen Bedarf einzelner Organe – ab, wie die quantitative Relation der katabolen und anabolen Verwertung ausfällt. Bei gluconeogenetischer Stoffwechsellage werden in den zur Gluconeogenese befähigten Organen relativ große Mengen an Oxalacetat dem Cyclus entzogen (Abschnitt 9.3.3). Für die Synthese von Fettsäuren (Abschnitt 10.2.1) und von Isoprenderivaten (Abschnitt 9.5.2) liefert der Tricarbonsäurecyclus das Citrat als Substrat. Das α-Ketoglutarat, das bei zahlreichen Transaminiermgs-Reaktionen im Aminosäurestoffwechsel eingesetzt wird, kann ebenfalls dem Tricarbonsäurecyclus entnommen werden. Das Gleiche gilt, wenn auch in geringerem Umfang, für das Oxalacetat. Das Succinyl-CoA

Lactat

Hydroxyprolin Serin Cystein Threonin Glycin

TRANSAMINASE

Tryptophan

Alanin

Pyruvat PYRUVATCARBOXYLASE

PHOSPHOENOLPYRUVATCARBOXYKINASE

Phosphoenolpyruvat

Glucose

Tyrosin Phenylalanin

Acetyl-CoA

Oxaloacetat

TRANSAMINASE

Fumarat

Aspartat Citrat

Isoleucin Methionin Valin

Succinyl-CoA

Fettsäuren Isoprene

CO2 α-Ketoglutarat

Propionat CO2 Histidin Prolin Glutamin Arginin

TRANSAMINASE

Glutamat

Substratentzug für Biosynthesen Zufuhr / Entnahme von Substraten

5.6

Substratentnahme aus dem Tricarbonsäurecyclus und Ersatz durch anaplerotische Prozesse

284

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

– auch ein Intermediat des Tricarbonsäurecyclus – ist Ausgangssubstanz der Porphyrinsynthese. Die Konzentration der Metaboliten des Tricarbonsäurecyclus ist an sich sehr niedrig. Sie wird im zeitlichen Mittel durch den Verbrauch des Acetyl-CoA konstant gehalten. Die extramitochondrialen Reaktionen, die die Zwischenmetaboliten des Cyclus anabol verwerten, sind dagegen meistens sehr intensiv. Dies bedeutet, dass der Tricarbonsäurecyclus bald zum Erliegen käme, wenn die abfließenden Metaboliten nicht aus Quellen ersetzt werden könnten, die außerhalb des Cyclus liegen. Die metabolischen Prozesse, die die Metaboliten des Tricarbonsäurecyclus ergänzen, werden als anaplerotische (auffüllende) Reaktionen bezeichnet. Zu diesen gehören insbesondere die Abbauwege der Aminosäuren (Abbildung 5.6). Beispielsweise endet der Katabolismus von Histidin, Prolin, Arginin, Glutamin und Glutamat in α-Ketoglutarat. Phenylalanin und Tyrosin liefern Fumarat, Asparagin und Aspartat werden in Oxalacetat umgewandelt. Auch die intramitochondriale Carboxylierung von Pyruvat führt zu Oxalacetat, das je nach Stoffwechsellage und Organ entweder zur Auffüllung des Tricarbonsäurecyclus verwendet, oder in die Gluconeogenese eingeschleust wird.

5.2.1.2

Der Tricarbonsäurecyclus wird hauptsächlich bei drei enzymatischen Schritten reguliert

In Anbetracht der komplexen Natur des Tricarbonsäurecyclus und seiner Bedeutung für den oxidativen Stofwechsel ist eine bedarfsangepasste Regulation des Metabolitflusses durch den Cyclus unbedingt notwendig. Drei unterschiedliche Möglichkeiten der Steuerung werden eingesetzt: die Variation des Substratangebotes, die direkte Produkthemmung und die allosterische Hemmung. Dabei wirken Zwischenprodukte des Cyclus oder deren Endprodukte sowie das ATP auf Enzyme des Cyclus zurück im Sinne einer Rückkopplungshemmung (Abschnitt 1.3.2.5). Drei Enzyme des Tricarbonsäurecyclus haben die Funktion von Schlüsselenzymen: die Citrat-Synthase, die Isocitrat-Dehydrogenase und die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase. Das Angebot an Acetyl-CoA und Oxalacetat, die Substrate der Citrat-Synthase sind, ist abhängig von den Stoffwechselbedingungen und kann unter Umständen für die Geschwindigkeit der Citratbildung ausschlaggebend sein. Meistens stammt ein erheblicher Anteil des Acetyl-CoA aus Pyruvat. Bekanntlich katalysiert die Pyruvat-Dehydrogenase diese Umwandlung, ein Enzym, das selbst einer sehr komplexen Regulation unterliegt (Abschnitt 9.3.4). Die Aktivität der Pyruvat-Dehydrogenase kann daher den Durchsatz durch den Tricarbonsäurecyclus bereits zu Beginn des Kreisprozesses in erheblichem Umfang beeinflussen. Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex wird bei hohem ATP/ADP-, NADH/NAD+- und Acetyl-CoA/CoA-Konzentrationsverhältnis gehemmt. Da ein derartiges Konzentrationsverhältnis ein Indiz für eine ausreichende Energieversorgung ist, erscheint dies sinnvoll. Zwei der drei Schlüsselenzyme werden durch die eigenen Produkte gehemmt: die Citrat-Synthase durch das Citrat und der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex durch das Succinyl-CoA. Die Citrat-Synthase wird außerdem durch das α-Ketoglutarat inhibiert. Das ATP, dessen Produktion das ferne Endziel des Tricarbonsäurecyclus ist, hemmt den Cyclus, – wenn es sich in höherer Konzentration angesammelt hat –, sowohl auf der Stufe der Isocitrat-Dehydrogenase als auch auf der der Citrat-Synthase. Das ADP hebt die allosterische Inhibierung der Citrat-Synthase durch ATP auf.

5 Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen

285

Der wichtigste Faktor für die Regulation des Tricarbonsäurecyclus ist das NADH/NAD+-Konzentrationsverhältnis. Die Citrat-Synthase, die Isocitrat-Dehydrogenase und die α-Keto-Glutarat-Dehydrogenase werden bei hohem NADH/NAD+Konzentrationsverhältnis gemäß dem Massenwirkungsgesetz erheblich gehemmt. Die Richtung der Malat-Dehydrogenase-Reaktion hängt ebenfalls vom NADH/NAD+Konzentrationsverhältnis ab. Ist dieses hoch, so entsteht Malat. Damit sinkt das Oxalacetat-Angebot an den Cyclus entsprechend und der Durchsatz verlangsamt sich. Alle diese fördernden und hemmenden Einflüsse zielen im Endeffekt darauf hin, die NADHProduktion dem aktuellen ATP-Bedarf der Zelle anzupassen. Das Pyruvat ist das quantitativ wichtigste Substrat, aus dem Acetyl-CoA entsteht. Es ist daher sinnvoll, dass auch die Intensität der Glykolyse, deren Endprodukt das Pyruvat ist, auf den Substratbedarf des Tricarbonsäurecyclus und schließlich auf den ATPBedarf der Zelle eingestellt wird. Auch die glykolytische Kette wird durch ein hohes NADH/NAD+-Konzentrationsverhältnis sowie durch einen hohen ATP-Spiegel in ihrer Intensität gehemmt. Ebenso ist das Citrat allosterischer Inhibitor eines der Schlüsselenzyme der Glykolyse, der Phosphofructokinase (Abschnitt 9.3.3.2).

5.2.2 Energiekonservierung durch Protonengradienten an der Innenmembran der Mitochondrien ist ein zentrales Prinzip der Bioenergetik Die tierische Zelle deckt den größten Teil ihres Energiebedarfs durch die mitochondriale Oxidation reduzierter Coenzyme mit molekularem Sauerstoff als Oxidationsmittel. Die gesamte komplexe Reaktionsfolge, die mit der Synthese von ATP endet, wird als oxidative Phosphorylierung oder Atmungskettenphosphorylierung bezeichnet. Die Reduktionsäquivalente, die als Substrate dieses Prozesses dienen, stammen zum größten Teil aus dehydrierenden Reaktionen, die im Mitochondrion selbst stattfinden. Zu diesen gehören die durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex katalysierte Reaktion (Abschnitt 9.3.4), die vier dehydrierenden Reaktionen im Tricarbonsäurecyclus (Abschnitt 5.2.1), die β-Oxidation der Fettsäuren (Abschnitt 10.2.3.2) und der Ketonkörper (Abschnitt 9.5.1) sowie einige dehydrierende Abbauwege von Aminosäuren. Es gibt allerdings auch einige cytosolische Reaktionen, beispielsweise in der Glykolyse, die NADH liefern. Wie bereits besprochen, überwinden diese Reduktionsäquivalente die mitochondriale Barriere mit Hilfe von Austauscher-Systemen (Abschnitt 1.2.6.6).

5.2.2.1

Die Elektronenübertragung auf Sauerstoff erfolgt in der Atmungskette kaskadenartig

Obwohl der Tricarbonsäurecyclus als ein Teil der oxidativen Energiegewinnung gilt, macht keine seiner Reaktionen unmittelbaren Gebrauch vom molekularen Sauerstoff. Dies geschieht, wie bereits erwähnt, im Verlauf der Atmungskette. Dabei geben die reduzierten Coenzyme NADH und FADH2 ihre Elektronen stufenweise ab, wobei O2 zu H2O reduziert wird. Formal entspricht dieses der stark exergonen Knallgasreaktion, nach Gleichung 5.3, H2 + 1⁄2 O2 j H2O

(Gl. 5.3)

286

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

die –234 kJ an freier Enthalpie pro mol liefert. Dieser für biochemische Reaktionen ungewöhnlich hohe Energiebetrag ist – würde er in einem Schritt freigesetzt – für zelluläre Prozesse unbrauchbar, da eine effiziente Kopplung an endergone Reaktionen nicht möglich ist. In der Atmungskette wird statt dessen der freiwerdende Energiebetrag in Teilbeträge gegliedert, indem die Elektronen von NADH und FADH2 über eine Kaskade von Elektronen-Carriern auf O2 übetragen werden. An dieser Kaskade ist des weiteren ein Komplex aus Protonenpumpe und einer ATP-synthetisierenden Untereinheit beteiligt. Die Elektronen von NADH und FADH2 werden schrittweise durch eine Reihe von Proteinkomplexen, die in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert sind, auf O2 übertragen. An diese Reaktionsfolge gekoppelt, werden Protonen aus der mitochondrialen Matrix herausgepumpt und es bildet sich ein Protonengradient an der inneren Mitochondrienmembran. Sobald Protonen durch einen Enzymkomplex in die Mitochondrienmatrix zurückfließen, wird ATP gebildet. Die gegenwärtige Vorstellung über die topologische Anordnung der Redox-Systeme der Atmungskette stellt Abbildung 5.7 dar. Die vier Hauptenzymkomplexe der Atmungskette sowie die ATP-Synthase sind integrale Bestandteile der inneren Mitochondrienmembran. Die beiden Komponenten, die Elektronen zwischen den Hauptenzymkomponenten der Atmungskette tragen – Ubichinon (Q) und Cytochrom c –, diffundieren schnell in der Membranebene. Die verschiedenen Bestandteile der Atmungskette liegen in unterschiedlichen molaren Mengen vor; so schätzt man, dass in Herz-Mitochondrien je NADH-Ubichinon-Oxidoreductase-Komplex I drei Moleküle Ubichinon-

Intermembran-Raum 4H+

4H+

-

2H +

OH Pi

4H+

Cytochrom

c

2e-

H+ Fe 2S2 FMN

Q/QH2

2e-

Q/QH2

Fe 4S4

4H+ NAD+

NADH

I NADH-UbichinonOxidoreductase Matrix-Raum

Succinat

2e-

Zn

2e- Cytoch .b1

Häm a3 H+

5.7

H+ O2

Fumarat

0 bis +50

III

2OH -

IV

Cytochrom c Oxidase

Pi ADP

P/OH Austausch

ATP

V ATPSynthase 2

O2 /O

+275 +30 bis +250

H+

F1

4H+ 2H+

II

+

FO

Häm b

+30 bis +60

Q=Ubichinon

Cu Häm a

Succinat-Ubichinon- Ubichinon-Cytochrom c Oxidoreductase Reductase

-370 bis +100

E (mV)

2e- 2e-

Cytoch .c1

FAD Fe 2 S2 Häm b Fe 4S4

H+

Q Q

Häm c1

Fe 2S2

+280 bis +400 +820

Anordnung der Redox-Systeme der Atmungskette in der inneren Membran des Mitochondrions

5 Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen

287

Cytochrom c Reductase-Komplex III, sieben Moleküle Cytochrom c Oxidase-Komplex IV, neun Moleküle Cytochrom c und 50 Moleküle Ubichinon vorliegen. Die Größenverhältnisse der Komponenten weist eine sehr große Spanne auf (Tabelle 5.2). Deshalb sind sie in Abbildung 5.7 nur näherungsweise wiedergegeben. Wie aus der Skala unterhalb der Membran zu entnehmen ist, sind die Komponenten nach steigendem RedoxPotential nebeneinander angeordnet und stehen mittels der frei beweglichen Elektronenüberträger Ubichinon und Cytochrom c in Kontakt. Die molekular und organisatorisch sehr vielfältig aufgebauten Komponenten der Atmungskette werden üblicherweise zu sogenannten Komplexen zusammengefasst. Die Komplexe I bis IV gehören zur Atmungskette, während an Komplex V die ATP-Synthese stattfindet. Die Organisation dieser Komplexe und ihre detaillierte Funktion, – die trotz jahrezehntelanger Forschung nicht in allen Einzelheiten geklärt sind, – werden in den Lehrbüchern der Biochemie eingehend besprochen (siehe Literaturempfehlungen). Wesentliche Angaben über diese sind in Tabelle 5.2 zusammengefasst. Neben den Multienzymkomplexen I bis IV nehmen die beweglichen Überträgermoleküle, das hydrophile Cytochrom c und das Ubichinon, als Hilfssubstrate an den Reaktionen teil. Das Ubichinon, auch Coenzym Q (Q) genannt, ist ein Chinon-Derivat, das eine Seitenkette aus etwa zehn Isopreneinheiten besitzt, wodurch dieses Molekül in der Lipidphase der Membran eine gute Beweglichkeit erlangt. Dieser mobile Elektronen-Carrier geht durch Reduktion in die Hydrochinonform über (Abbildung 5.8). Verschiedene Typen von Eisen-Schwefelzentren nehmen am Elektronentransport teil, indem sich die Wertigkeit des Eisens entsprechend ändert. Unterschiedliche Hämmoleküle sind an Redox-Reaktionen ebenfalls dadurch beteiligt, dass ihr zentrales Eisenatom – im Gegensatz zum Eisen im Hämoglobin (Abschnitt 8.4.2) – zum Valenzwechsel befähigt ist. Weiterhin partizipieren am Elektronentransport durch den Komplex IV Kupfer- und Zinkionen. Während des Elektronentransportes entlang der Komplexe der Atmungskette werden Protonen aus der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum herausgepumpt.

Tabelle 5.2: Durch die Enzymkomplexe der Atmungskette katalysierte Reaktionen Komplex/ katalysierte Reaktion

Coenzyme

Mr kDa

Anzahl der Untereinh.

I

NADH: Ubichinon-Oxidoreductase/ NADH + H+-Ubichinon → NAD++Ubichinol

1 FMN; 2 Fe2S2; 4–5 Fe4S4

ca. 700

23–30

II

Succinat: Ubichinon-Oxidoreductase/ 1 FAD; 1 Fe2S2; Succinat + Ubichinon 1 Fe4S4; 1 Fe3S4; → Fumarat + Ubichinol 2 Ubichinon; 1 Häm b

125

4–6

III

Ubichinol-Cytochrom c-Reductase/ Ubichinol + 2 Cytochrom cox → Ubichinon + 2 Cytochrom cred

2 Fe2S2; 2 Häm b; 1 Häm c1

230

11

IV

Cytochrom c-Oxidase/ 2 Cytochrom cred + 1⁄2 O2 + 2H+ → 2 Cytochrom cox + H2O

2 Cu; 1 Zn; 220 1 Häm a; 1 Häm a3

8–13

288

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

O C H 3CO H 3CO

C

C

C

C

CH3

( CH2

CH3 CH

C

C O

CH2)

10

H

Ubichinon(Q) + [H] = H ,e -

O C H3CO

C

C

H3CO

C

C

CH3

( CH2

CH3 CH

C

C

CH2)

H

CH2)

H

10

OH

Semichinon(QH ) + [H] = H ,e -

OH C H3CO

C

H3CO

C

C C

CH3

( CH2

CH3 CH

C OH

5.8

C

10

Ubichinol(QH2)

Das Coenzym Q (Ubichinon) als Redox-System

Dadurch entsteht ein elektrochemisches Potential an der inneren Mitochondrienmembran, welches aus einem pH- und Potentialgradienten besteht. Eine Translokation von Protonen findet an den Komplexen I, III und IV statt. Voraussetzung für die vektorielle Protonenbewegung ist das Vorhandensein von Protontransportierenden Kanälen innerhalb der Multienzymkomplexe, die den Transport von H+ nur von innen nach außen erlauben. Die für diesen aktiven Transport notwendige Energie entstammt den jeweiligen exergonen Reaktionen. Durch die Komplexe I und III werden je 4, durch den Komplex IV wahrscheinlich 2 Protonen pro Elektronenpaar in den Intermembranraum befördert.

5 Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen

289

5.2.2.2 Die im Protonengradienten gespeicherte Energie ist die Triebkraft für die ATP-Synthese Die Speicherung der freien Enthalpie, – die die Redox-Reaktionen der Atmungskette liefern, – in Form eines Protonengradienten über die Innenmembran des Mitochondrions ist der Primärprozess der oxidativen Phosphorylierung. In einem Sekundärprozess wird das elektrochemische Potential dieses Gradienten für die stark endergone Synthese von ATP aus ADP und Pi verwendet. Ort dieser Synthese ist der transmembrane Komplex V, die H+-transportierende ATP-Synthase, die vereinfacht auch als ATP-Synthase bezeichnet wird. Dieser 400 kDa große Multienzymkomplex besteht aus 8 bis 14 Untereinheiten. Für die Funktion wesentlich sind die als Kopplungsfaktor F0 und Kopplungsfaktor F1 bezeichneten Komponenten (Abbildung 5.7). Der Kopplungsfaktor F0 ist das hydrophobe Segment der ATP-Synthase, das sich durch die innere Mitochondrienmembran zieht und den Protonenkanal des Komplexes darstellt. In elektronenmikroskopischen Aufnahmen erscheint der Kopplungsfaktor F1 als kugelförmige Erhebung auf der Matrixseite der inneren Mitochondrienmembran. Die normale Aufgabe der F1-Einheit ist die Katalyse der ATP-Synthese. Die ATP-Synthese ist nur durch Interaktion beider Kopplungsfaktoren möglich. Wie bereits erwähnt, wird beim Sekundärprozess der Energiekonservierung die freie Enthalpie des Protonengradienten für die ATP-Synthese genutzt. Es bereitete erhebliche Schwierigkeiten, die energetische Kopplung des Ionenflusses mit der ATP-Synthese zu erklären. Heute ist als Erklärungsansatz die chemiosmotische Hypothese von Mitchell allgemein akzeptiert, wenn auch manche Details noch als ungeklärt gelten. Der katalytisch wirksame F1-Kopplungsfaktor des Komplex V besteht aus fünf unterschiedlichen Polypeptiden mit der Stöchiometrie α3 β3 γ δ ε und besitzt eine Masse von 378 kDa. Wie Abbildung 5.9 zeigt, sind die großen Untereinheiten α und β symmetrisch an der Peripherie des Komplexes angeordnet, die wesentlich kleineren Untereinheiten γ, δ und ε befinden sich im Zentrum. Letztere sind für die Bindung an den F0Kopplungsfaktor und die H+-Übertragung zuständig. Je ein αβ-Paar bildet eine katalytische Funktionseinheit, wobei sich das aktive Zentrum an der β-Untereinheit nahe der Grenzfläche zwischen der α- und β-Einheit befindet. Abbildung 5.10 stellt den hypothetischen Mechanismus der ATP-Synthese dar. Der zentrale, in der Abbildung rot markierte Komplex rotiert durch die Triebkraft des Protonentransportes angetrieben relativ zu den außen angeordneten katalytischen Funktionseinheiten. Dadurch erhalten diese jeweils unterschiedliche katalytische Eigenschaf-

5.9

Anordnung der Untereinheiten des Kopplungsfaktors F1 der ATP-Synthase

290

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Energie des H+-Gradienten ADP + Pi ADP + Pi

P+

P AT

AD

P+

AD

AT P

ADP + Pi

Pi

Pi

ATP

5.10

Hypothetischer Mechanismus der ATP-Synthese am Kopplungsfaktor F1 der ATP-Synthase. Quelle: Löffler, G., Petrides, P.E. (1997) Biochemie und Pathobiochemie, 5. Aufl., SpringerVlg, S. 502

ten im Sinne von Konformationsänderungen. Diesem Modell zufolge sind die drei katalytischen Untereinheiten zwar im Prinzip identisch, jedoch zu keinem Zeitpunkt funktionell äquivalent. Eines der katalytischen Zentren liegt in der O-Form (O = open) vor, die offen (also unbesetzt) ist und eine niedrige Substrataffinität besitzt. Das zweite liegt in der L-Form (L = loose) vor, die die Substrate locker bindet, aber katalytisch inaktiv ist. Das dritte Zentrum schließlich liegt in der T-Form (T = tight) vor, die die Substrate fest bindet und aktiv ist. Betrachten wir zunächst das T-Zentrum in der Konfiguration I. Es bindet fest ATP. Durch Rotation des zentralen Komplexes und entsprechende Konformationsänderung wandelt sich das T- in ein O-Zentrum um, wobei ATP freigesetzt wird, und aus dem vorherigen O- wird ein L-Zentrum, das mit ADP und Pi beladen vorliegt (Konfiguration II). Beim nächsten Rotationsschritt wird aus dem L-Zentrum ein TZentrum und es erfolgt die Synthese von ATP. Der Protonenfluss durch die ATP-Synthase treibt dabei die Umwandlung des einen Zustandes in den anderen an. Die ATP-Bildung erfolgt also stets spontan, wenn sich ein mit ADP und Pi beladenes katalytisches Zentrum in der T-Konformation befindet. Wie das Modell zeigt, sind die vom Intermembranraum über das F0 zurückströmenden Protonen nicht direkt an der chemischen Reaktion der ATP-Synthese beteiligt, sondern verändern während des Transportes die Konformation einzelner Peptid-Untereinheiten, das heißt das katalytische Zentrum von Enzymen. Der Hauptanteil der durch die Redox-Reaktionen der Atmungskette gelieferten Energie wird im Sekundärprozess der oxidativen Phosphorylierung zur Synthese von ATP verwendet. Ein geringerer Teil dient der Energetisierung von Transportprozessen in den beziehungsweise aus dem Matrixraum (Abschnitt 1.2.6.6). Von unmittelbarem Interesse für die ATP-Synthese selbst ist der Transport von Phosphat in den Matrixraum. Der dafür zuständige Phosphat/OH–-Austauscher ist in Abbildung 5.7 zwischen den Komplexen IV und V dargestellt.

5 Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen

5.2.2.3

291

Die oxidative Phosphorylierung wird durch den Energiebedarf der Zelle bestimmt

Die ATP-Produktion muss dem ständig wechselnden Bedarf der Zelle angepasst werden. Der Regulationsmechanismus, der den ATP-Verbrauch, die ATP-Bildung und den Katabolismus der Nährstoffe koordiniert, wird als Atmungskontrolle bezeichnet. Die Kopplung der zu steuernden Prozesse erfolgt über gemeinsame Coenzyme und sonstige Faktoren. Wird der ATP-Verbrauch der Zelle gedrosselt, so wird die ATP-Synthese automatisch verringert, da weniger ADP zur Verfügung steht. Die Verfügbarkeit von ADP ist somit der ausschlaggebende Faktor zur Regulation des Energiestoffwechsels. Der menschliche Organismus verfügt nur über einen knappen Vorrat von 3 bis 4 g an freien AdeninNucleotiden (AMP, ADP, ATP). Der tägliche Bedarf an ATP beträgt etwa 80 kg. Somit muss jedes ADP-Molekül täglich mehrere tausendmal zu ATP phosphoryliert und wieder dephosphoryliert werden.

EXKURS 5.1 Oxidativer Stress und Abwehrmechanismen Die Nutzung von Sauerstoff zur effektiven Energiegewinnung war zweifelsohne die Voraussetzung für die Entstehung höherer Lebensformen. Der evolutionäre Vorteil des aeroben Lebens hat allerdings auch seine Schattenseiten. So kann sowohl molekularer Sauerstoff selbst als auch verschiedene hoch reaktive Nebenprodukte, die bei vielen Reaktionen entstehen, mit nahezu allen Biomolekülen und Strukturen interagieren und deren Funktion beeinträchtigen. Um dieser existentiellen Gefährdung entgegenzuwirken, entwickelten alle aerob lebenden Organismen enzymatische und nicht-enzymatische Abwehrmechanismen. Es sollen im Folgenden die Entstehung der wichtigsten reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) sowie die Reaktionen betrachtet werden, die zu ihrer Abwehr dienen. Viele ROS sind freie Radikale (mit X• symbolisiert), das heißt, sie besitzen ein ungepaartes Elektron in einem äußeren Bindungsorbital. Von besonderer biologischer Bedeutung ist das Superoxid-Radikal O2• –, das durch Einelektronentransfer auf O2 gebildet wird. Das O2•– entsteht in einigen NeSonstige Reaktionen NADPH-OXIDASE NADPH NADP+ H+ 2O2

b

SUPEROXIDRADIKAL

O a

O2 O•

O

O-

O

•2

Abb. 1 Bildung des Superoxid-Radikals

+

H

WASSERSTOFFPEROXIDRADIKAL HOO•

Lipidperoxidation

䊳

292

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

benreaktionen von Oxidasen, zum Beispiel der Xanthinoxidase beim Abbau von Purinen, bei der Elektronenübertragung in der Atmungskette hauptsächlich auf Ubichinon oder durch Elektronentransfer von Semichinon-Zwischenstufen (Abbildung 1a), beispielsweise bei Monooxygenase-Reaktionen im endoplasmatischen Reticulum. Aktivierte Makrophagen erzeugen bei Entzündungsreaktionen durch die NADPH-Oxidase ebenfalls O2•– (Abbildung 1b). In diesem Falle dienen die entstehenden Sauerstoffradikale zur Abwehr von Bakterien, haben also einen erwünschten Effekt. Das O2•– kann auch durch Autooxidation von Flavinen, Hämoglobin, Glutathion und anderen Thiolen sowie durch physikalische Einwirkungen, wie UV-Licht, Ultraschall, Röntgen- und γ-Strahlen, entstehen. Die außerordentliche Toxizität des O2•– beruht vor allem auf seinen Reaktionen mit ungesättigten Phospholipiden der biologischen Membran, was zur Lipidperoxidation führt. O2•– geht unter der katalytischen Wirkung der Superoxiddismutase oder auch spontan in das Wasserstoffperoxid, H2O2 über, das ebenfalls zu den ROS gehört. H2O2 entsteht auch als Reaktionsprodukt verschiedener Oxidasen, beispielsweise in Peroxisomen (Abschnitt 1.2.5.1). Die schädigende Wirkung des H2O2 beruht insbesondere auf Inaktivierung von Enzymen. Wie aus Abbildung 2a ersichtlich, entsteht aus dem H2O2 durch Reaktion mit Semichinonen das sehr aggressive Hydroxylradikal (HO•). Es ist das reaktionsfreuSUPEROXID RADIKAL

O O

2 O•-

Cyclisches Peroxid

C C H H

2 H+ H SUPEROXIDDISMUTASE (spontan)

HYDROXYLRADIKAL

O2

a WASSERSTOFFPEROXID

• O

C H

H2O

HO•

O•

O

O-

O

OH-

O2

O

• C

C

H

H

H2O2 b

2 GSH

NADP+

PEROXIDASE

GLUTATHIONPEROXIDASE

GLUTATHIONREDUCTASE

X

GSSG

X H2

2 ASCORBAT

Se KATALASE 1/2 O2

H2O

2 H2O

2 H2O

L-ASCORBATPEROXIDASE

NADPH + H+

MONODEHYDROASCORBAT

2 H2O

Abb. 2 Zentrale Stellung des Wasserstoffperoxids

䊳

5 Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen

293

digste und kurzlebigste Mitlied der ROS. Es reagiert mit fast allen Biomolekülen und startet Radikalketten-Reaktionen, beispielsweise bei der Lipidperoxidation. Als Zwischenstufen bei der Peroxidations-Kettenreaktion entstehen durch die spontane Reaktion von O2 mit organischen Radikalen, – die durch den Angriff von Hydroxyl- oder Superoxid-Radikalen gebildet wurden, – Peroxid-Radikale (ROO•) und cyclische Peroxide. Zu den ROS wird auch der Singulett-Sauerstoff (1O2) gerechnet, ein „angeregter Zustand“ des molekularen Sauerstoffs, der an Ein- und Zweielektronen-Reaktionen teilnehmen kann. Er ist insofern von biologischem Interesse, als er an Photosensibilisierungsreaktionen beteiligt ist. Abbildung 2b fasst die Reaktionen zusammen, die zum enzymatischen Abbau des Wasserstoffperoxids, H2O2 führen,das eine zentrale Stellung im Stoffwechsel der ROS einnimmt. Insbesondere die Katalase und mehrere Peroxidasen reduzieren das H2O2 zu Wasser. Die ROS beeinträchtigen die Biomoleküle auf verschiedene Weise. Im Fall der DNA können sowohl die Zuckerkomponente als auch die Basen modifiziert werden. Die Oxidation der Desoxyribose verursacht häufig Strangbrüche, die oxidative Modifikation der Basen führt zu Fehlpaarungen und wirkt damit mutagen. In Proteinen sind besonders Methyl-, Histidyl-und Tryptophanreste sowie die Thiolgruppe von Cystein Ziele der ROS-Wirkung. Es kann insbesondere die katalytische Wirksamkeit von Enzymen beeinträchtigt werden. Besonders gut untersucht ist die Auswirkung der oxidativen Schädigung auf die Membranlipide. Bei der Lipidperoxidation handelt es sich um das autokatalytische Fortschreiten der Bildung von Lipidperoxiden. Derartige Modifikationen führen zu tiefgreifenden Veränderungen der Lipiddoppelschicht biologischer Membranen mit entsprechenden Folgen für die zellulären Funktionen. Zur Verhinderung, oder zumindest Milderung, der Wirkung der ROS setzt der Organismus – neben den erwähnten enzymatischen Abbaureaktionen – auch nicht enR OO•

R OOH

CH3

CH3

HO

R

H3C

OH

HO

R

H3C

O•

CH3

CH3

Tocopherol

Tocopherol-Radikal

H2C

OH

H2C

OH

HC

OH

HC

OH

O

O O

HO

O•

Ascorbat-Radikal

Abb. 3 α-Tocopherol als Radikalfänger

O HO

OH

Ascorbat

䊳

294

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

zymatisch wirksame Antioxidantien ein. Dieser Begriff wird für Substanzen verwendet, die in physiologischen Konzentrationen die Oxidation eines Substrates hemmen. Dies kann dadurch geschehen, dass sie entweder die Bildung von ROS verhindern, oder die Wirkung von ROS unterbinden, oder schließlich dadurch, dass sie die durch die ROS verursachten Schäden beseitigen. Von ernährungsphysiologischem Interesse ist die antioxidative Wirkung des Provitamins β-Carotin und zweier Vitamine, des α-Tocopherols und der Ascorbinsäure. Das β-Carotin reagiert mit reaktivem O2 und unterbricht Radikalketten. Die Tocopherole spielen besonders beim Schutz der Membranlipide vor Peroxidation eine Rolle. Sie wirken als „Radikalfänger“ (scavenger), indem sie in den Tocopheroxy-Zustand übergehen (Abbildung 3). Dieses ist ein wenig reaktives Radikal mit einer Halbwertszeit von mehreren Stunden, wodurch Kettenreaktionen unterbrochen werden. Die Rückreduktion erfolgt durch Ascorbat, die beiden Vitamine wirken also synergistisch. Die Ascorbinsäure geht jedoch auch mehrere direkte nichtenzymatische Reaktionen mit aktivierten Sauerstoffspezies ein. Eine wesentliche Rolle bei der Beseitigung oxidativer Schäden spielen schließlich Reparationsprozesse an der DNA, sowie das lipolytische Entfernen geschädigter Membranlipide.

6

Die Entwicklung von Organen als evolutionärer Fortschritt

Die einzelligen Organismen, wie Bakterien und Protozoen, machen etwa die Hälfte der heutigen Biomasse der Erde aus. Diesen quantitativen „Erfolg“ verdanken sie vor allem der Tatsache, dass sie alle ihre Bausteine und Energielieferanten selbst aus wenigen sehr einfachen Molekülen ihrer unmittelbaren Umgebung aufbauen können. Dennoch führte die Evolution unweigerlich zu Vielzellern. Der erste Schritt in diese Richtung dürfte die Zusammenlagerung von Einzellern zu Kolonien gewesen sein. Im einfachsten Falle geschieht dies dadurch, dass Tochterzellen nach der Zellteilung zusammen bleiben, ein Verhalten, das bereits prokaryotische Zellen zeigen. Die Kolonienbildung bringt einen gewissen Nutzeffekt bei der Nährstoffversorgung, ohne dass die Äquivalenz der einzelnen Zellen aufgegeben wäre. Ein bedeutender evolutionärer Fortschritt wurde erzielt, als Eukaryotenzellen die Fähigkeit erlangten, sich zu differenzieren, sich zu funktionell unterschiedlichen Organen zusammenzulagern und in einem Organismus zu kooperieren. Die durch Spezialisierung ermöglichte Arbeitsteilung führte zur Entwicklung immer komplexerer, höher differenzierter Lebewesen. Sie besaßen mehr Beweglichkeit, mehr Wirksamkeit und damit auch einen höheren Fortpflanzungserfolg. Die Kooperation bot reichhaltigere Möglichkeiten als die einzelnen Komponenten gehabt hätten. Diese vielzelligen, komplexen Eukaryoten, zu denen auch der Mensch gehört, sind mit 300 bis 500 Millionen Jahren eine relativ junge Erscheinung der Evolutionsgeschichte.

6.1 Zelldifferenzierung, Gewebeentwicklung und Organogenese sind Grundlagen einer effektiven Arbeitsteilung Bekanntlich entwickeln sich alle Zellen eines vielzelligen Organismus aus der befruchteten Eizelle. Bei den Vielzellern, die verschiedene Organe haben, müssen also im Verlauf der Ontogenese unterschiedliche Zelltypen entstehen. Alle diese Zellen sind genetisch identisch, das heißt sie enthalten das vollständige Genom des betreffenden Lebewesens, sie sind phänotypisch dagegen unterschiedlich. (Alleinige Ausnahme von dieser Regel bilden einige Zellen des Immunsystems der Vertebraten. Bei der Produktion der Antikörper und der Antigen-spezifischen Rezeptoren der Lymphocyten werden bei der Differenzierung ursprünglich getrennte Abschnitte der DNA zusammengespleißt). Die biochemisch und morphologisch so verschiedenen somatischen Zellen eines hochentwickelten Organismus unterscheiden sich also nicht, weil sie unterschiedliche Gene besitzen, sondern weil sie eine unterschiedliche Auswahl von Genen exprimieren. Jede Zelle exprimiert jedoch auch eine gewisse Anzahl von Genen („Haushaltsgenen“), die für konstitutive Proteine codieren, auf die keine Zelle verzichten kann. Derartige Proteine werden in relativ großen Mengen produziert, die Anzahl ihrer Kopien

296

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

pro Zelle beträgt mehr als 50 000. Zu ihnen gehören die meisten Proteine des Cytoskeletts (Abschnitt 1.2.7.1), der Golgi-Membran (Abschnitt 1.2.3), die ribosomalen Proteine und manche Enzyme, zum Beispiel die der glykolytischen Kette. Differenzierte Zellen synthetisieren jedoch zusätzlich einen jeweils anderen Satz von speziellen Proteinen. Beispielsweise produzieren die B-Zellen der Langerhansschen Inseln des Pankreas Insulin (Abschnitt 1.4.3.1), die Epidermiszellen Keratin, um nur einige von Tausenden von Syntheseleistungen zu erwähnen. Eine typische höhere Eukaryotenzelle synthetisiert 10 000 bis 20 000 unterschiedliche Proteine. Etwa die Hälfte davon sind zellspezifisch. Die Verschiedenheit des Proteinmusters bewirkt die unterschiedlichen biochemischen Leistungen und schließlich die funktionelle Variabilität der Zellen: Einige spezialisieren sich zu Muskelzellen, andere zu Hepatocyten, andere wiederum zu Neuronen. Um deutliche Unterschiede in der Zellmorphologie und -funktion hervorzurufen, genügen im allgemeinen relativ geringfügige Änderungen des zellspezifischen Proteinmusters. Die Entwicklung, die zu den verschiedenen Zelltypen führt, wird als Differenzierung bezeichnet. Die Zelldifferenzierung beginnt bereits in der frühen Embryonalentwicklung und wird ganz allgemein durch ein Wechselspiel zwischen zelleigenen Programmen und Zell-Zell-Interaktionen gesteuert. Aufgrund von in vitro-Experimenten kann angenommen werden, dass die Säugetier-Eizelle a priori keine Determinanten der weiteren Entwicklung enthält, die in dieser Zelle unterschiedlich lokalisiert wären. Diese ist zunächst also nicht polarisiert. Bis zum Acht-Zell-Stadium sind alle Zellen des Säugetierembryos gleich und omnipotent (Abbildung 6.1). Aus jeder der Zellen kann also grundsätzlich jeder Zelltyp des späteren Embryos oder des erwachsenen Organsimus entstehen. Mit der nächsten Teilung, das heißt beim Übergang vom Acht- zum Sechzehn-Zell-Stadium, ändert sich die Wechselwirkung der Zellen untereinander. Es kommt zu einer Umordnung der Zell-Zell-Kontakte, und es manifestieren sich erste Unterschiede zwischen den Zellen. In der Folge werden Mechanismen aktiviert, die bewirken, dass in den unterschiedlichen Zellen des wachsenden Embryos unterschiedliche aktive Gene exprimiert werden. Die Kontrolle der Genexpression bei höheren Eukaryoten ist ein außerordentlich komplexer Vorgang und bei weitem nicht in allen Einzelheiten geklärt. Die meisten Gene der höheren Eukaryotenzelle dürften vor allem durch einen Satz diffusibler Genregulatorproteine kontrolliert werden, die für jeden Zelltyp einzigartig sind. Ein bestimmtes Genregulatorprotein kann selbst unter verschiedenen Umständen exprimiert werden, und ist typischerweise für die Regulierung mehrerer Gene zuständig.

befruchtetes Säugetierei

Zona pellucida

6.1

Zwei-ZellStadium

Acht-ZellStadium (Morula)

Sechzehn-ZellStadium

mütterliche und väterliche Pronuclei

Frühe Stadien der Entwicklung eines Säugetierembryos

Blastocyste

6 Die Entwicklung von Organen als evolutionärer Fortschritt

297

Zusätzlich kann die Expression von Genen durch Umwandlung der Chromatinstruktur in eine mehr oder minder konzentrierte Form beeinflusst werden. Bei den Vertebraten dürfte die DNA-Methylierung, durch die die Transkription von Genen unterdrückt wird, ebenfalls eine Rolle spielen. Dadurch besteht vor allem die Möglichkeit zur Stabilisierung von Entwicklungsentscheidungen, die durch andere Faktoren bestimmt wurden. Eukaryotische Zellen und ihre Abkömmlinge müssen auch dann in ihren unterschiedlichen spezialisierten Zuständen verbleiben, wenn die Einflussfaktoren, die die Differenzierung hervorgerufen haben, verschwunden sind. Das Zellgedächtnis sorgt dafür, dass die Gen-Regulator-Mechanismen, die zur Entstehung verschiedener Zelltypen führen, auch weiterhin stabil bleiben und vererbbar sind. Die Zelle sollte normalerweise nicht entdifferenzieren. Als molekulare Mechanismen des Zellgedächtnisses kommen cytoplasmatische und nucleare in Frage. Beim cytoplasmatischen Gedächtnis enthält das Cytosol – oder die extrazelluläre Umgebung – Komponenten, die durch einen Satz aktiver Gene codiert werden. Diese wirken direkt oder indirekt auf das Genom zurück und halten die selektive Expression dieses bestimmten Gensatzes aufrecht. Verschiedene Zelltypen haben verschiedene cytoplasmatische Kontrollfaktoren. Beim nuclearen Zellgedächtnis handelt es sich, um eine sich selbst erhaltende Veränderung (Modifikation) der Chromosomen. Dabei ändert sich nicht die DNA-Sequenz, jedoch ein Satz von Genen wird aktiv exprimiert. In diesem Zusammenhang spielt vermutlich die DNA-Methylierung eine wichtige Rolle. Auf der Ebene der Transkription findet nicht die einzige, biochemische und damit funktionelle Ausprägung einer Zelle statt. Ihre weitere Verwendbarkeit innerhalb eines arbeitsteiligen Organismus erfordert, dass sie auf zahlreiche inrazelluläre und extrazelluläre Signale flexibel reagiert. Die Produkte der Genexpression, das heißt die Proteine der Zelle, müssen in qualitativer und quantitativer Hinsicht den aktuellen Erfordernissen des Organismus entsprechend vielfältig modifiziert werden. In Abbildung 6.2 sind sechs regulatorische Ebenen, die zu diesem Ziel führen, schematisch dargestellt. Auf der Ebene der Transkription (1) wird bestimmt, ob und wie oft die Information eines Gens in mRNA umgeschrieben wird. Bei der Kontrolle der mRNA-Prozessierung (2) kann entschieden werden, wie das primäre RNA-Transkript gespleißt oder sonstwie prozessiert wird. Der Export der reifen mRNA in das Cytosol (3) bietet eine weitere Kontrollmöglichkeit; genauso wie die translationale Kontrolle (4), bei der die mRNAs ausgewählt werden, die an den Ribosomen zur Translation kommen. Eine weitere Steuerung ist möglich bei der selektiven Destabilisierung von mRNA-Molekülen (5), die abgebaut und nicht weiter translatiert werden. Schließlich kann eine der StoffwechCYTOSOL

KERN primäres RNA Transkript

DNA Kontrolle der Transkription 1

6.2

5 mRNA

Kontrolle der RNAProzessierung 2

inaktive mRNA

Kontrolle des RNA-Abbaus

mRNA Kontrolle des RNATransportes 3

Translationskontrolle Protein 4

Kontrollebenen der Genexpression eukaryotischer Zellen

6 Aktivitätskontrolle aktives/inaktivesProtein

298

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

selsituation angepasste Aktivitätskontrolle (6), insbesondere im Falle von Enzymen, wirksam werden. Die Diversifikation von Eukaryotenzellen wird also zwar durch die Differenzierung im frühen Embryonalstadium eingeleitet, ihr endgültiger Charakter jedoch durch eine vielfältige Sequenz von späteren Einflüssen geprägt. Mit fortschreitender Entwicklung der Lebewesen kam es zu einer immer stärkeren Spezialisierung der Zellen. Der Oganismus des Menschen – und der höheren Säugetiere – setzt sich aus mehr als 200 unterschiedlichen Zelltypen zusammen, von denen es noch eine große Anzahl von Varianten gibt. Die Zelltypen des Menschen lassen sich nach unterschiedlichen Gesichtspunkten klassifizieren: nach histologischen, nach entwicklungsgeschichtlichen, nach biochemischen, nach immuno-histochemischen und vielen anderen mehr. Bei der in Tabelle 6.1 vorgenommenen Einteilung wurde der funktionelle Tabelle 6.1: Funktionelle Kategorien von Zellen des menschlichen Organismus 1. Keratinisierte epitheliale Zellen Basalzelle der Epidermis* 2. Zellen der feuchten mehrschichtigen Schutzepithelien Zelle des Harnwegepithels* 3. Auf exokrine Sekretion spezialisierte Epithelzellen Zelle der Speicheldrüse*; Belegzelle des Magens* 4. Auf Hormonsekretion spezialisierte Zellen Zellen der Nebenniere*; Zellen der Schilddrüse* 5. Epitheliale resorbierende Zellen des Darms, der exokrinen Drüsen und des Urogenitaltrakts Bürstensaumzelle des Darms*; Epithelzelle der Gallenblase* 6. Auf Stoffwechsel und Speicherung spezialisierte Zellen Hepatocyt*; Fettzelle* 7. Epithelzellen der Lunge, des Darmes, der exokrinen Drüsen und des Urogenitaltrakts mit Schutzfunktion Kleine Alveolarzelle der Lunge*; Zelle des renalen Sammelrohrs* 8. Epithelzellen von geschlossenen inneren Körperhöhlen Vasculäre Endothelzelle*

10. Extrazelluläre Matrix sezernierende Zellen Osteoblast* 11. Kontraktile Zellen Skelettmuskelzelle*; glatte Muskelzelle* 12. Zellen des Blutes und des Immunsystems Erythrocyt*; Lymphozyten* 13. Sinnesvermittler Geschmackszelle*; olfaktorische Zelle* 14. Autonome Neuronen cholinerg*; adrenerg*, peptiderge* 15. Stützzellen der Sinnesorgane und der peripheren Neuronen Stützzelle des Riechepithels*; Schwannsche Zelle* 16. Neuronen und Gliazellen des Zentralnervensystems Neuronen* 17. Linsenzellen Linsenepithelzelle 18. Pigmentzellen Melanocyt* 19. Keimzellen Oocyte; Spermatocyt*

9. Begeisselte Zellen mit treibender Funktion im Atmungstrakt* * ausgewählte Beispiele Quelle: Alberts, B., Bray, D., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Watson, J.D. (1990) Molekularbiologie der Zelle 2. Aufl. VCH-Verlagsgesellschaft S. 1189-1191 (stark gekürzt)

6 Die Entwicklung von Organen als evolutionärer Fortschritt

299

Aspekt in den Vordergrund gestellt. In den insgesamt 20 Kategorien gibt es unterschiedlich viele Vertreter. So besteht die Gruppe der auf Hormonsekretion spezialisierten Zellen aus mehr als 30 Vertretern. Jede dieser Zelltypen produziert ein anderes Hormon und unterscheidet sich somit zumindest in ihrer biochemischen Potenz grundlegend von den anderen Zellen dieser Gruppe. Dagegen sind beim Menschen nur zwei Typen von Pigmentzellen bekannt: die Melanocyten und die pigmentierten Zellen der Retina. In der Tabelle werden für jede Zellkategorie jeweils nur ein bis zwei Beispiele für die Zelltypen angeführt.

6.2 Die Zellen bilden hochdifferenzierte Funktionseinheiten: Die Gewebe und Organe Der menschliche Organismus besteht aus 1012 bis 1014 Zellen. Nur ganz wenige der somatischen Zelltypen des Menschen führen ein scheinbar unabhängiges „Single-Dasein“ und üben ihre Funktion in diesem Zustand aus. Zu diesen Ausnahmen gehören neben den reifen Erythrocyten einige weitere korpuskuläre Bestandteile des Blutes. Alle anderen aggregieren zu Geweben und Organen. Die Entwicklung eines komplexen Organismus wird durch ein „soziales Kontrollsystem“ gesteuert, das nicht nur die Zelldifferenzierung, sondern auch das Anordnen der verschiedenen Zelltypen nach dem vorgegebenen Muster der Organe garantiert. Es gehört zu den reizvollsten und noch lange nicht gelösten Aufgaben der Zellbiologie, die Einzelheiten dieses Kontrollsystems zu klären. Im folgenden sollen einige wenige Aspekte der Morphogenese angesprochen werden, ohne ins Detail gehen zu können. Wie in Abbildung 6.1 dargestellt, entsteht in der Embryonalentwicklung – nachdem mit dem Sechzehn-Zell-Stadium die Zelldifferenzierung eingeleitet worden war – die Blastocyte. Diese weist bereits eine ausgeprägte Asymmetrie auf, die für die weitere Entwicklung von besonderer Bedeutung ist. Aus den Zellen, die die Blastocyte innen auskleiden, dem Trophoderm oder Trophoblasten, entstehen im wesentlichen der Amnionsack und die Plazenta. Diese Strukturen umhüllen das Embryo und sorgen für den Stoffaustausch mit dem mütterlichen Organismus. Sie sind extraembryonal, da sie bei der Geburt abgestoßen werden. Aus der Ansammlung von Zellen an einem Pol des Eies, die Embryoblast (innere Zellmasse) genannt wird, entsteht alles, was zum eigentlichen Embryo gehört. Nachdem die Zona pellucida (Eihülle) abgestoßen worden ist, beginnen die Zellen des Embryoblasten sich weiter zu differenzieren. Nach einigen Zwischenstadien hat sich – etwa 14 Tage nach der Befruchtung – die dreiblättrige Keimscheibe ausgebildet (Abbildung 6.3). Alle Gewebegruppen entstehen aus dieser dreischichtigen Keimscheibe. Jedes der Keimblätter hat ganz bestimmte Aufgaben, keines besitzt jedoch eine histogenetische Spezifität, denn die einzelnen Gewebetypen können sich aus verschiedenen Keimblättern entwickeln. So kann Epithelgewebe aus allen drei Keimblättern entstehen, das Nervengewebe geht fast ausschließlich aus dem Ektoderm hervor, vom Mesoderm leiten sich die Binde-, Stütz- und Muskelgewebe ab. Unter dem Begriff Gewebe versteht man im allgemeinen einen Verband gleichartig differenzierter Zellen, die durch spezifische, nicht zelluläre Strukturen, die extrazelluläre Matrix, zusammengehalten werden. Dieses komplexe Geflecht von Makromolekülen bildet ein Gerüst, in dem Zellen wandern und miteinander in Kontakt treten können. Manche Zellen sind mit der Matrix über spezielle Abschnitte der Plasmamembran

300

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Blastocyte

Dreiblättrige Keimscheibe

1

2

6.3

3

Die dreiblättrige Keimscheibe bei der Entwicklung des Säugetierembryos

verbunden (Zell-Matrix-Verbindungen). Zellen, die unmittelbar nebeneinander liegen, stehen oft über besondere Zell-Zell-Verbindungen miteinander in Kontakt. Die Histologen unterscheiden vier große Klassen von Gewebetypen, die den Körper des Menschen aufbauen: 1. das Epithelgewebe (mit den Unterabteilungen Oberflächen- oder Deckepithelien; Drüsenepithelien; Sinnesepithelien); 2. das Binde- und Stützgewebe; 3. das Muskelgewebe und 4. das Nervengewebe. Manche Gewebe des menschlichen Organismus behalten einen hinsichtlich Form und Umfang relativ diffusen Charakter, wie dies zum Beispiel beim Fettgewebe der Fall ist. Dennoch sind auch solche Gewebe nicht beliebig verteilt, sondern haben eine charakteristische räumliche Anordnung. Andere Gewebearten – wie das Blutgefäßsystem oder das Nervensystem – durchziehen in wohlgeordneten Bahnen den gesamten Organismus und dienen damit der Kommunikation über weite Strecken. Andere Gewebe bilden Organe, deren Form und Größe artspezifisch vorgegeben ist und nur innerhalb geringfügiger Grenzen variieren kann, wie dies das Beispiel der Niere oder der Leber zeigt. Organe sind funktionelle Einheiten eines arbeitsteiligen Organismus. Fast alle Organe des Menschen bestehen aus mehreren Gewebetypen, die selbst verschiedene Zellen enthalten. Alle Organe werden durch das Gefäßsystem mit Nährstoffen versorgt und von den Endprodukten des Stoffwechsels entsorgt. Gefäß- und Nervensystem versorgen sie mit Informationen, die erst das Funktionieren eines komplexen Organismus ermöglichen. Die Entwicklung, die für das koordinierte Zusammenfinden von Zellen zu Geweben und Organen notwendig ist, beginnt bereits in der Embryonalphase. Die molekularen Steuerungsmechanismen dieses Phänomens, das als Morphogenese bezeichnet wird, bleiben jedoch – mit gewissen altersabhängigen Variationen – während der gesamten Lebenszeit des Organismus erhalten. Die Morphogenese wird einerseits endogen durch das Erbgut gesteuert, andererseits exogen durch verschiedene äußere Faktoren, die innerhalb eines durch das Genom festgelegten Rahmens die Formentwicklung beeinflussen können. Als wesentliche gestaltbildende Faktoren gelten die Zellteilungsrate sowie die Kontakte der Zellen untereinander – der Zell-Zell-Kontakt – sowie mit der extrazellulären Matrix – der Zell-Matrix-Kontakt. Es gibt mehrere Arten von Verbindungen zwischen Zellen untereinander und zwischen Zellen mit der extrazellulären Matrix. Sollen Zellen untereinander zu mechanisch stabilen Gewebeverbänden zusammengefügt werden, oder sollen sie auf der extrazellulären Matrix – des öfteren an der Basalmem-

6 Die Entwicklung von Organen als evolutionärer Fortschritt

301

Actin-Filament Cadherine

Catenine

Actin-Filament Adapter

Integrine

Kollagen-Faser

6.4

Zell-Zell- und Zell-Matrix-Kontakte

bran – befestigt werden, so ist auch das Cytoskelett (Abschnitt 1.2.7.1) an der Verbindung beteiligt. Abbildung 6.4 zeigt das Zustandekommen derartiger Verbindungen. Beim Zell-Zell-Kontakt kommt es zur Ausbildung einer Kontaktstelle zwischen der Plasmamembran der beiden Zellen, die als Zonula adherens (bei Epithelzellen) oder Punctus adherens bezeichnet wird. An dieser Stelle werden durch integrale Membranproteine, Cadherine genannt, Actinfilamente des Cytoskeletts beider Zellen miteinander verbunden. Cadherine sind Membranproteine, über deren N-terminale extrazelluläre Domäne die Ca2+-abhängige Zelladhäsion ermöglicht wird. Die Assoziation des C-terminalen Endes mit den intrazellulären Actin-Filamenten erfolgt über ein weiteres Protein, das Catenin. Da der Zell-Zell-Kontakt über je ein Cadherin-Molekül der benachbarten Zellen zustande kommt, handelt es sich um eine homophile Bindung. Wie ebenfalls in Abbildung 6.4 gezeigt wird, haben wir es im Falle des Zell-MatrixKontaktes mit einer heterophilen Bindung zu tun. Die intrazellulären Partner sind auch in diesem Falle die Actin-Filamente des Cytoskeletts. Extrazellulär dienen Kollagen-Fasern der Anknüpfung, die durch Integrine vermittelt wird. Die Integrine sind heterotrimere Transmembranproteine, die außer mit Kollagen auch mit Fibronectin und Laminin interagieren können, wobei auch in diesem Falle divalente Kationen benötigt werden. Bei der intrazellulären Anknüpfung an das Actin-Filament bedarf es eines „Adapters“, der unter anderem das Vinculin sein kann (Abschnitt 1.2.7.1). Die Zell-Zell- und Zell-Matrix-Adhäsionsproteine werden in verschiedenen Geweben nach unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Mustern exprimiert. Es wird angenommen, dass diese Proteine entscheidende Vermittler zwischen den im Genom festgelegten Positionsinformationen und den morphogenetischen Bewegungen von Zellen sind. Ein relativ einfaches Beispiel für die Morphogenese ist die Bildung einer Epithelschicht und ihre Umwandlung in ein durch Epithel ausgekleidetes Rohr (Abbildung 6.5). Ausgehend von einer „Gründerzelle“ verbinden sich die Zellen nach einigen Tei-

302

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Gründerzelle

Zellverbindung

Basalmembran Epitheliale Zell-Lage

Gürteldesmosom mit assoziierten Actin-Filamenten

Invagination der epithelialen Zell-Lage durch eine geordnete Verkürzung an den Adhäsionsgürteln bestimmter Regionen der Zell-Lage

Epithelrohr löst sich von darüberliegender Zell-Lage ab

Epithelrohr

6.5

Bildung einer Epithelschicht und eines Epithelrohres

lungsschritten sowohl untereinander als auch mit der extrazellulären Matrix der Basalmembran. Die zwischen den Cadherin-Molekülen und den Actinfilamenten zustandegekommene Verbindung bildet bei den Epithelzellen einen Adhäsionsgürtel, der parallel zur Plasmamembran verläuft und die eng anliegenden Zellen zusammenhält. Das zellübergreifende Geflecht ist wahrscheinlich an einem grundlegenden Vorgang der Morphogenese beteiligt, der die Faltung von Epithelschichten zu Röhren und ähnlichen Strukturen ermöglicht, wie sie im Darm oder in den Nierentubuli vorkommen. Wahrscheinlich kommt es hierbei zu gerichteten Kontraktionen der Actin-Filamentbündel des Adhäsionsgürtels an bestimmten Regionen der Zellschicht. Dadurch werden die Zellen

6 Die Entwicklung von Organen als evolutionärer Fortschritt

303

Tabelle 6.2: Für die Genese von Geweben und Organen wichtige Wachstumsfaktoren Wachstumsfaktor (WF)

Hauptsächliche Funktion

Kompetenzfaktoren Epidermaler WF (EGF)

Stimulierung der Proliferation verschiedener Zellen; induktives Signal der Embryonalentwicklung

Transformierender WF (TGF β) – mehrere Subtypen –

Potenzierung/Inhibierung der Wirkung anderer WF; Regulation der Zelldifferenzierung; induktives Signal der Embryonalentwicklung

Fibroblasten-WF (FGF) – mehrere Subtypen –

Stimulierung der Proliferation verschiedener Zellen; Inhibierung der Differenzierung verschiedener Stammzellen; induktives Signal der Embryonalentwicklung

Plättchen-WF (PDGF) – 3 Subtypen –

Stimulierung der Proliferation von Bindegewebs- und Glia-Zellen

Progressionsfaktoren Insulinähnlicher WF-I (IGF-I)

Stimulierung der Zellproliferation in Interaktion mit anderen WF; Förderung des Überlebens von Zellen

an der Spitze schmaler und das Epithel rollt sich zu einer Röhre zusammen, die sich von der Epithelschicht ablöst. Die Ausbildung des Epithels spielt bei der Zusammenfügung tierischer Gewebe eine große Rolle. Man misst der Entstehung der Epithelschicht annähernd die gleiche evolutionäre Bedeutung bei, wie der Zellmembran, die die Entwicklung von Zellen überhaupt ermöglichte. Epitheliale Zellschichten überziehen Körperoberflächen sowohl innen als auch außen und schaffen so Kompartimente mit geregelten inneren Bedingungen. Wichtige Komponenten des „Sozial-Kontrollsystems“ bei der Zellteilung und Positionssteuerung sind auch die diffusionsfähigen Wachstumsfaktoren. Diese Polypeptide werden durch Protoonkogene* codiert und von verschiedenen Zellen gebildet. Sie wirken auf das Zellwachstum regulierend, indem sie den Übergang von Zellen aus der G0beziehungsweise G1-Phase in den Zellzyklus bewirken. Dabei fungieren sie entweder als Kompetenz- oder als Progressionsfaktoren. Tabelle 6.2 enthält eine Liste von Wachstumsfaktoren, die bei der Genese von Geweben und Organen eine Rolle spielen. Es sind relativ wenige Wachstumsfaktoren, die in immer anderer Kombination selektiv auf die Vermehrung vieler verschiedenartiger Zellen Einfluss nehmen. Diese hochspezifischen Proteine, die sich auch an der Zelldifferenzierung beteiligen, wirken in meist sehr niedriger Konzentration von 10–9 bis 10–11 * Oncogene (Krebsgene) entstehen durch Mutation aus Protooncogenen.

304

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

mol × L–1. Um auf die Wachstumsfaktoren anzusprechen, müssen die betreffenden Zellen spezifische Rezeptoren haben, die größtenteils ebenfalls zu den Produkten der Protoonkogene gehören. In fast allen Organen findet ein ständiger Zellverschleiß statt, wobei Zellverlust und Zellentstehung im Gleichgewicht stehen. Auch dieses Phänomen unterliegt dem „sozialen Kontrollmechanismus“. Die Zellen des menschlichen Organismus haben einen unterschiedlichen turnover, das heißt sie teilen sich unterschiedlich häufig. Neuronen vermehren sich überhaupt nicht, Leberzellen teilen sich ein- bis zweimal im Jahr, Darmepithelzellen verdoppeln sich zweimal täglich. Wie lange Zellen in einem nicht-teilungsfähigen Stadium verharren, hängt allerdings nicht allein vom Zelltyp ab, sondern auch von äußeren Umständen. Wird beispielsweise die Leber geschädigt, so setzt innerhalb eines Tages eine Welle von Zellteilungen ein, und das verlorengegangene Gewebe wird sehr schnell ersetzt. Ähnliche Regenerationsvorgänge lassen sich auch bei anderen Organen beobachten. Normalerweise werden die Zelltypen dem Gewebemuster des betreffenden Organs entsprechend ersetzt, was für eine komplexe Wachstumsregulation spricht. Zur Aufrechterhaltung einer konstanten Organgröße und bei physiologischer Involution bestimmter Organe ist es auch notwendig, dass Zellen planmäßig eliminiert werden. Dieser Vorgang wird als programmierter Zelltod oder Apoptose bezeichnet. Bereits während der Embryonalentwicklung kommt es zur Ausschaltung funktionslos gewordener Neuronen oder zur Eliminierung autoreaktiver Lymphocyten. Auch beim Erwachsenen gibt es, wie Tabelle 6.3 beispielhaft zeigt, Organe, bei denen eine programmierte und meistens durch die Konzentration von Hormonen gesteuerte Eliminierung von Zellen durch Apoptose stattfindet. Tabelle 6.3: Einige Organe, bei denen Apoptose stattfindet Organ

Initiator

Leber

Hunger

Lymphocyten

Glucocorticoide

Neuronen

Mangel an Nervenwachstumsfaktor

Laktierende Milchdrüse

Abfall der Prolactin-Sekretion

Prostata

Mangel an Androgenen

Charakteristisch für die Apoptose, die wahrscheinlich in allen Organen vorkommt, ist, dass nur einzelne Zellen in einem sonst gesunden Organ absterben. Die Apoptose beginnt – mikroskopisch sichtbar – mit der Schrumpfung des Zellkerns, der der Zerfall der Zellmembran in Vesikel und die Auflösung der Zelle folgt. Das Zellmaterial wird von Makrophagen aufgenommen, ohne dass es zu einer Entzündungsreaktion oder zur Antikörperbildung käme. Die Apoptose unterscheidet sich somit von der Zellnekrose und dient unter anderem auch der Beseitigung von virusbefallenen Zellen und von manchen Tumorzellen. Dies erklärt das starke aktuelle Interesse an der Erforschung der Apoptose. Änderungen physikalischer und chemischer Natur, die von einer bestimmten Zelle eines Vielzellers registriert werden, müssen anderen Zellen, die sich oft in beträchtlicher Entfernung befinden, gemeldet werden. Die Kommunikation zwischen den Zellen ist

6 Die Entwicklung von Organen als evolutionärer Fortschritt

305

eine Grundbedingung für die präzise Abstimmung und Steuerung der Prozesse in einem komplexen arbeitsteiligen Organismus und schließlich die Grundlage seines Überlebens. Informationen werden natürlich auch von Zelle zu Zelle über diffusible Metaboliten oder Signalmoleküle sowie über Änderungen der elektrischen Felder als Folge von Ionenwanderungen weitergegeben. Im Prinzip werden die gleichen Elemente auch bei der Informationsvermittlung über längere Distanzen eingesetzt. Die Diffusion als Mechanismus der Übertragung reicht allerdings in diesem Falle nicht mehr aus. Weite Strecken müssen durch extrazelluläre Informationsströme, zum Beispiel über das Blut als effektiven Transportvermittler (Abschnitt 8.1), überbrückt werden. Zahlreiche chemische Botenstoffe – Hormone, Mediatoren, Metaboliten – benutzen diesen Weg. Die klassischen Hormone werden von speziellen Hormondrüsen oder Zellgruppen ausgeschüttet und gelangen auf dem Blutweg zu ihren Zielorten, das heißt zu Organen und Geweben, deren Zellen über entsprechende Rezeptoren verfügen. Bei einem größeren Organismus würden jedoch auf diese Weise übermittelte Signale noch immer relativ lange Zeiträume benötigen, um ihre Ziele zu erreichen. Wenn ein chemisches Signal schnell übertragen werden soll, muss der stoffliche Signalträger als solcher am Zielort entstehen. Auf diesem Prinzip beruht die Informationsübertragung mittels Neuronen und Neurotransmitter. Das physikalische oder chemische Signal löst in diesem Falle an einem Ende einer Nervenzelle eine elektrische Erregung aus, die schnell zum anderen Ende der axonalen Leitung gelangt. Am Zielort wird die Abgabe chemischer Signale in Form von Neurotransmittern ausgelöst, die über den synaptischen Spalt in der unmittelbaren Umgebung wirksam werden. Sie erreichen dort im Gegensatz zu den Hormonen nur wenige Zielzellen.

6.3 Die morphologische Differenzierung wird von der Diversifizierung des Zellstoffwechsels begleitet Wie bereits diskutiert, dient die Entstehung unterschiedlicher Gewebe und Organe im Verlauf der Morphogenese dazu, die Leistung eines hochkomplexen Organismus durch Arbeitsteilung zu optimieren. Um diesem Zweck zu genügen, sind die einzelnen spezialisierten Gewebe und Organe nicht nur morphologisch unterschiedlich, sondern auch die biochemische Potenz ihrer Zellen weist recht große Differenzen auf. Im Zusammenhang mit der Regulation des Stoffwechsels auf der Stufe der enzymatischen Katalyse wurde bereits darauf hingewiesen, dass die biochemische Individualität der Zellen vor allem durch ihre spezifische enzymatische Ausstattung geprägt ist (Abschnitt 1.3.1). Es sei jedoch nochmals daran erinnert, dass eine noch so ausgeprägte Spezialisierung nicht dazu führen kann, dass die einzelne Zelle auf bestimmte Grundfunktionen, die zu den Charakteristika lebender Systeme gehören, verzichtet. Zu diesen, über die gesamte Evolution konservierten, Leistungen gehören: die Gewinnung biologischer Energie durch Transformation physikalischer und chemischer Energie aus der Umgebung; die Synthese und der Abbau von Zellsubstanz, verbunden mit der Erhaltung charakteristischer Strukturen; die Aufrechterhaltung eines bestimmten intrazellulären – bei Mehrzellern auch extrazellulären – Milieus und des dafür notwendigen Stofftransportes zur Schaffung von Ionengradienten und schließlich die identische Replikation. Letzteres gilt zumindest für alle teilungsfähigen Zellen, zu denen auch die

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Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

meisten Zelltypen des Menschen gehören. Somit hat jede Zelle die für diese Grundleistungen notwendige enzymatische Ausstattung. Als Beispiel einer derartigen Grundfunktion wurde im Kapitel 5 die oxidative Energiegewinnung der Eukaryoten im Vergleich zur Substratkettenphosphorylierung besprochen. Die biochemische Uniformität verschiedener Zelltypen hinsichtlich ihrer Grundfunktionen ist allerdings nur qualitativer Natur. Die Intensität der Leistungen kann nicht nur zwischen einzelnen Lebewesen, sondern auch zwischen den Zellen ein und desselben Organismus beträchtliche Unterschiede aufweisen. Ein Beispiel möge dies deutlich machen: An der inneren Membran eines Lebermitochondrions gibt es über 10 000 einzelne Elektronentransportsysteme, die Membran eines Mitochondrions aus der Herzmuskelzelle enthält etwa dreimal soviele. Dies zeigt, dass die Energiegewinnung von der Intensität energieverbrauchender Prozesse abhängt, die wiederum in den einzelnen Organen stark differieren kann. Obwohl die Leber als ein sehr stoffwechselintensives Organ gilt, benötigt die Herzmuskelzelle für ihre kontinuierlichen Kontraktionen sehr viel mehr Energie. Auch sonstige für jede Zelle obligatorische Stoffwechselwege, zum Beispiel die Glykolyse, zeigen Unterschiede hinsichtlich ihrer Intensität, die nicht zuletzt wiederum an den Energiebedarf gekoppelt ist.

6.3.1 Der Stoffwechsel der Hauptnährstoffe hat organspezifische Charakteristika Die folgenden Kapitel 7 bis 12 werden sich mit dem Stoffwechsel der Hauptnährstoffe auf der Ebene von sechs Organen beziehungsweise Organsystemen befassen. Bei der Auswahl aus der Vielzahl von Organen des Menschen wurde in erster Linie die Bedeutung für den Metabolismus der Hauptnährstoffe berücksichtigt. Wie aus den Kapitelüberschriften hervorgeht, steht zwar die jeweilige organspezifische Rolle im Vordergrund der Betrachtung, allerdings lässt sich diese nicht isoliert behandeln, ohne den Grundstoffwechsel, der allen Zellen und Organen eigen ist, einzubeziehen. Zwei Beispiele sollen dies zeigen: Die Gluconeogenese ist eine Stoffwechselleistung, zu der – fast – ausschließlich die Leber und die Nieren befähigt sind. Dieser Prozess lässt sich jedoch nur im Zusammenhang mit der Glykolyse, als dem gegenläufigen Glucose verbrauchenden Stoffwechselweg, betrachten. Deshalb wird auch diese grundlegende metabolische Kette im Zusammenhang mit der Multifunktionalität der Leber besprochen. Die quantitativ überwiegende Rolle des Fettgewebes ist die Speicherung von Energie in Form von Triglyceriden. Der Fettstoffwechsel, der ebenfalls zu den basalen Leistungen jeder Zelle gehört, wird daher im Zusammenhang mit dem Fettgewebe berücksichtigt. Trotz der in einigen Fällen sehr stark ausgeprägten Organspezifität gibt es im hochentwickelten und differenzierten Organismus des Menschen kaum eine metabolische Leistung, die isoliert dasteht. Zwischen Zellen, Geweben und Organen findet auf den bereits besprochenen Wegen eine ständige Kommunikation und gegenseitige Beeinflussung statt. Alle anabolen und katabolen Prozesse auch des Nährstoffmetabolismus sind zu einem komplexen Netzwerk verbunden.

7

Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus

Mit einer Oberfläche von mehreren hundert Quadratmetern stellen die Epithelien des Magendarmtrakts den Kontakt des Organismus mit der aufgenommenen Nahrung her. Der stufenweisen Verdauung der komplexen Nahrungsinhaltsstoffe in Magen und Darm folgt die Resorption der Nährstoffe, aber auch die der Fremdstoffe. Zu den quantitativ bedeutendsten Leistungen der Darmschleimhaut zählt auch die Aufnahme von Wasser, die an die Resorption von Elektrolyten und Nicht-Elektrolyten – vor allem Glucose – gekoppelt ist. Einen wichtigen Beitrag zum koordinierten Ablauf von Verdauung und Resorption liefert die gastrointestinale Motilität, die durch neural programmierte Kontraktionen von Ring- und Längsmuskulatur den von oral nach aboral verlaufenden Transport des Nahrungschymus bewirkt. Meistens wird die Existenz dieser vielfältigen Leistungen des Gastrointestinaltraktes nicht wahrgenommen. Dies beruht auf der Autonomie der komplexen Regulation gastrointestinaler Prozesse. Die große Bedeutung des Magendarmtraktes wird jedoch dadurch deutlich, dass dieser Organverbund eines der größten endokrinen und neural innervierten Systeme im Organismus darstellt. Obwohl der Magendarmtrakt auch vom Zentralnervensystem (ZNS) und anderen Geweben Signale empfängt, kann er aufgrund seiner intrinsischen Kontrollsysteme auch autark arbeiten. Magen und Darm können ihre Funktionen direkt an alimentäre Nahrungszufuhr und metabolische Notwendigkeiten anpassen. Dazu werden unter anderem mehrere Dutzend Peptidhormone in enteroendokrinen Zellen gebildet. Sie fungieren als Signalgeber und sind meist im Organ selbst wirksam. Gleichzeitig können diese Hormone jedoch auch integrierend die gastrointestinalen Vorgänge mit Reaktionen in peripheren Geweben und im ZNS koordinieren. Darüber hinaus besitzt das darmassoziierte Immunsystem auch für die Immunantwort des Körpers eine große Bedeutung. Die anatomischen Grundlagen für die vielfältigen Aufgaben des Magendarmtrakts bilden spezifische, epitheliale Strukturen mit unterschiedlichen Zelltypen, die gleichzeitig die extreme Oberflächenvergrößerung der Schleimhaut herbeiführen. Darüber hinaus sind exokrine Drüsensysteme für die Bildung von Sekreten mit charakteristischer Zusammensetzung verantwortlich, durch die entlang des Magendarmtraktes Kompartimente mit unterschiedlichen physiologisch-chemischen Eigenschaften geschaffen werden können.

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Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

7.1 Die gastrointestinalen Funktionen werden komplex geregelt Nahezu jede Funktion des Gastrointestinaltraktes – wie Motilität, Flüssigkeits- und Enzymsekretion exokriner Drüsen, Resorptions- und Sekretionsprozesse des Epithels sowie Proliferation und Differenzierung gastrointestinaler Zellen – unterliegt einer Regulation durch Hormone und hormonähnliche Verbindungen. Die regulatorischen Faktoren gehören zu den Stoffklassen der Steroide, Peptide, Aminosäureabkömmlinge und Fettsäurederivate. Gastrointestinale Hormone werden zu einer Gruppe zusammengefasst, da sie vorwiegend – aber nicht ausschließlich – im Magendarmtrakt gebildet werden. Die wichtigsten Hormone dieser Gruppe sind die Gastrine und Cholecystokinine sowie verschiedene Peptide der Sekretin- und Glucagonfamilie. Dazu zählen unter anderem Sekretin, GLP-1 (glucagon like peptide 1), VIP (vasoaktives intestinales Polypeptid) und GIP (glucose dependent insulinotropic peptide). Darüber hinaus werden Substanz P, Bombesin, GRP (gastrin releasing polypeptide), Motilin und die der pankreatischen Polypeptidfamilie zugehörigen Verbindungen Neuropeptid Y, Peptid YY und pankreatisches Polypeptid im Darm nachgewiesen. Die Familienzugehörigkeit basiert auf Homologien und Identitäten in der Aminosäurensequenz einer Reihe dieser Peptide. Meist bestehen sie aus einfachen Peptidketten, wobei jedoch etwa die Hälfte der Hormone – ähnlich wie die hypothalamischen Peptide – ein amidiertes Carboxylende aufweisen. Dies ist gleichermaßen für die Stabilität und die biologische Funktion dieser Peptide wichtig. Die Synthese der gastrointestinalen Peptidhormone erfolgt in spezifischen polarisierten, endokrinen Zellen der Schleimhaut. Diese Zellen weisen meist eine trianguläre Struktur auf. Sie tragen Mikrovilli an der schmalen, zum Darmlumen orientierten Zellseite und besitzen basal (zur Blutseite orientiert) Speichervesikel mit den präformierten Hormonen. Die Freisetzung der Hormone wird einerseits neural vermittelt, andererseits unter der Wirkung von Signalen aus dem Darmlumen wie pH-Wert und Nährstoffzusammensetzung des Chymus. Bemerkenswert ist, dass die endokrinen Zellen, die einzelne Peptidhormone bilden und sezernieren, meist nur in bestimmten Abschnitten des Magendarmtraktes vorkommen. Sie sind somit in der Lage, lokal auf die Veränderungen der Zusammensetzung des Chymus im Darm zu reagieren und erlauben eine Feinsteuerung der unterschiedlichen physiologischen Funktionen. Abbildung 7.1 zeigt die Syntheseorte einiger ausgewählter Peptidhormone im Gastrointestinaltrakt sowie ihre wichtigsten Wirkungen. Auf die Bedeutung individueller Hormone wird bei der Besprechung physiologischer Vorgänge, die sie beeinflussen, eingegangen. Unter den regulatorisch bedeutenden Nicht-Peptiden in Magen und Darm sind vor allem das Stickstoffmonoxid (NO), die biogenen Amine Histamin und Serotonin sowie die Catecholamine und Eikosanoide zu nennen. Sie sind lokale Mediatoren von Sekretions- und Motilitätsvorgängen. Gleichzeitig sind sie wichtige Bindeglieder bei der Kommunikation zwischen dem gastrointestinalen Nervensystem und dem Epithel. Grundsätzlich unterscheiden sich die Mechanismen, mit denen diese Botenstoffe in Magen und Darm ihre Signale an ihre Empfängerzellen weitergeben, nicht von denen in anderen Organen. Das heißt, dass eine Vielzahl von Membranrezeptoren mit ihren nachgeschalteten Signaltransduktionsprozessen die spezifischen Zellantworten vermitteln. Im Zusammenhang mit der Wirkung des Choleratoxins wird die Bedeutung dieser zellulären Signalvermittlungsvorgänge bei der Kontrolle von Resorptions- und Sekretionsprozessen des Darms besonders deutlich. Die durch Choleratoxin ausgelöste

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 309

VIP Somatostatin Enteroglucagon CCK Sekretin GIP Gastrin Motilin

Neurotensin GLP-1 Guanylin

Magen Hormon

Duodenum Jejunum Bildungsort (Zelltyp)

Ileum

Colon

Rectum

Hauptwirkung

Gastrin

G-Zellen

Stimulation der HCl-Sekretion

CCK

I-Zellen

Stimulation der Sekretion von Pankreasenzymen, Gallenblasenkontraktion

Sekretin

S-Zellen

Hemmung der HCl-Sekretion, Stimulation der Volumen- und Bicarbonatsekretion des exokrinen Pankreas

Somatostatin

D-Zellen

Hemmung der Gastrin- u. Pepsinogen-Sekretion, Stimulation der Mucusproduktion, Unterdrückung der VIP- und Neurotensin-Sekretion

VIP

D1-Zellen

Hemmung der Volumen- und HCl-Sekretion im Magen, Stimulation des exokrinen Pankreas, Steigerung der Durchblutung im Darm und Stimulierung der Wasser- und Elektrolytsekretion im Darm

Neurotensin

N-Zellen

Hemmung der Sekretion im Magen und der Magenentleerung

Motilin

MO-Zellen

Stimulierung der Motorik des Magens und der Pepsinogen-Sekretion

GIP

K-Zellen

Förderung der Insulinfreisetzung nach oraler Kohlenhydratzufuhr

L-Zellen

Förderung der Insulinfreisetzung nach oraler Kohlenhydratzufuhr

Enteroglucagon

A-Zellen L-Zellen

Hemmung der Sekretion des Magens und der Magen-Darm-Motilität

Guanylin

div. Zellen

Stimulierung der Chlorid- und Flüssigkeitssekretion im Darm

(Vasoaktives intestinales Polypeptid)

(Glucose-abhängiges insulinotropes Peptid)

GLP-1 (Glucagon-ähnliches Peptid)

7.1

Bildungsorte und Hauptwirkungen der wichtigsten gastrointestinalen Peptidhormone

Flüssigkeitssekretion mit starker Diarrhoe beruht auf der ADP-Ribosylierung von Gsα-Untereinheiten der heterotrimeren G-Proteine in den Epithelzellen (Abschnitt 1.1.3.6). Dies verhindert die Reassoziation von Gs- α mit den β-γ-Untereinheiten zu einem inaktiven Gs-Protein. In der Folge kommt es durch Gs- α zu einer permanent aktivierten Adenylat-Cyclase. Der resultierende hohe cAMP-Spiegel in den Epithelzellen führt unter anderem über Proteinkinase A zu einer Sekretion von Cl–-Ionen und von Wasser sowie einer Steigerung der Motilität.

310

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Da auch Toxine von pathogenen E. coli Stämmen – wenn über die Nahrung aufgenommen – sehr schnell eine Elektrolyt- und Wassersekretion im Darm auslösen, suchte man nach den zellulären Reaktionspartnern dieser Toxine. Dabei zeigte sich, dass Epithelzellen einen Guanylat-Cyclase-Rezeptor für Peptidtoxine exprimieren und die Diarrhoe über eine Erhöhung des zellulären cGMP-Spiegels ausgelöst wird (Abschnitt 1.1.3.6). Gleichzeitig stellte sich aber die Frage, was der natürliche, das heißt körpereigene Ligand dieses Rezeptors ist. Erst vor kurzer Zeit wurde das Peptid Guanylin als Ligand identifiziert, so dass davon ausgegangen werden muss, dass das in Epithelzellen gebildete Guanylin eine wichtige Rolle bei der physiologischen Regulation der Elektrolyt- und Wasserresorption im Darm hat. Abschließend muss nochmals betont werden, dass es sich bei der Regulation nahezu aller physiologischer Vorgänge im Magen sowie Dünn- und Dickdarm um ein äußerst komplexes Geschehen handelt. Abbildung 7.2 gibt vereinfacht den integrativen Charakter dieses Regulationsgeschehens wieder. Epithelzellen, endokrine Zellen, subepitheliale Fibroblasten, Muskelfasern der Ring- und Längsmuskelschicht sowie der Blutgefäße können über die Neuronen des gastrointestinalen Nervensystems und deren Transmitter erreicht werden. Peptidhormone sowie Nicht-Peptidbotenstoffe werden auf spezifische Signale hin freigesetzt und vermögen ihrerseits, stimulatorisch oder inhibitorisch, im Wechselspiel mit dem Nervensystem die Magen-Darm-Motilität sowie die Digestions- und Resorptionsprozesse zu steuern. Die Abgabe von Peptidhormonen in das Blutgefäßsystem ermöglicht die Informationsweitergabe an periphere Gewebe, während gleichzeitig vom ZNS modulatorische Signale an das gastrointestinale Nervensystem übermittelt werden. Signale

Signale endokrine Zelle

Enterocyten

Myofibroblasten afferente Neuronen empfangen chemische oder mechanische Reize

Freisetzung von Peptidhormonen

Blutgefäße

efferente Neuronen modulatorische Signale vom ZNS

Hormone

periphere Gewebe

Muskulatur der Ring- und Längsmuskelschicht

7.2

Wechselwirkungen verschiedener Zelltypen beim Empfang und bei der Verarbeitung von Steuersignalen zur Beeinflussung intestinaler Funktionen

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 311

Aufbauend auf diesen Betrachtungen werden nachfolgend abschnittsweise – von oral nach aboral – die einzelnen physiologischen und biochemischen Vorgänge besprochen, die die Grundlage der Digestion der Makronährstoffe und der Resorption einzelner Nähr- und Inhaltsstoffe der Nahrung bilden.

7.2 Die Nahrung wird in der Mundhöhle nicht nur zerkleinert Die Nahrung wird in Form von Bissen sehr unterschiedlicher Größe in den Mund aufgenommen, zerkleinert und mit Speichel durchmischt. Bis zu welchem Ausmaß die Nahrung im Munde zerkaut wird, hängt von ihrer Art ab, aber auch von Gewohnheiten und Erziehung und davon, ob beim Essen gesprochen wird. Auf die Qualität der nachfolgenden Verdauung hat das Ausmaß des Kauens, entgegen der Volksmeinung, nur einen sehr geringen Einfluss. Während der Kauakt noch teilweise der Willkür unterliegt, ist der Schluckakt – wenn eingeleitet – ausschließlich reflektorisch. Von der im Mund befindlichen Nahrung wird eine Fraktion von 5–15 ml separiert und in den hinteren Rachenraum verlagert. Von einem stereotypen Schluckreflex aufgenommen wird dieser Bolus in den Oesophagus bewegt. Durch die Schwerkraft und durch eine peristaltische Welle im Oesophagus weiterbewegt, gelangt der Bolus durch den unteren Oesophagus-Sphinkter, der sich vor ihm öffnet und nach ihm wieder schließt, in den Magen. Für den Schluckakt ist die Speichelsekretion von sehr großer Bedeutung. Die Abgabe des Speichels unterliegt keiner hormonellen Kontrolle, kann aber dennoch zwischen gerade wahrnehmbaren Mengen (etwa 0,5 ml/min) und etwa 7,5 ml pro Minute nach maximaler Stimulation variieren. Die Speicheldrüsen des Menschen sondern pro Tag etwa 1–2 Liter Speichelflüsssigkeit ab. Durch ständiges Benetzen der Mundhöhle erleichtert der Speichel das Sprechen und spielt eine wichtige Rolle bei der Zahngesundheit. Eine fehlende Speichelsekretion begünstigt die Kariesentstehung. Der Speichel spielt auch bei der Geschmackswahrnehmung eine zentrale Rolle, da er Geschmacksstoffe löst, sie verdünnt und den Geschmacksrezeptoren zuführt (Abschnitt 3.1). Der hohe Bicarbonatgehalt des Speichels trägt darüber hinaus zur Neutralisation von Säuren bei. Der menschliche Speichel enthält eine Reihe von Enzymen. Quantitativ bedeutend ist vor allem die α-Amylase. Sobald diese durch das Kauen der Nahrung beigemischt wird, beginnt die Hydrolyse der α-1,4-glykosidischen Bindungen der Kohlenhydratpolymere. Bereits die Hydrolyse von nur 0,1 % aller glykosidischen Bindungen in Stärke genügt, um deren Partikelgröße um den Faktor 100 zu reduzieren. Dies führt zu einer drastischen Senkung der Viskosität des Speisebreis und verbessert das Abschlucken des Bolus. Darin scheint die primäre Bedeutung der Speichelamylase zu liegen.

7.2.1 Die Innervierung der Speicheldrüsen lässt „das Wasser im Munde zusammenlaufen“ Die Hauptmenge des Speichels wird von drei paarigen großen Drüsen gebildet: Glandula parotis, Gl. submandibularis und Gl. sublingualis. Die Parotisdrüsen entsprechen dem serösen Typ, da ihre Acinuszellen keine Mucine exprimieren. Ihr Sekret ist daher

312

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

wässrig im Vergleich zum mucinhaltigen Sekret der Submandibular- und Sublingualdrüsen. Sie gehören dem gemischten Typ an, da ihre Acinuszellen diverse Mucusproteine bilden und sezernieren. Darüber hinaus enthält die Mundhöhle zahlreiche kleine bukkale Drüsen sowie einige rein muköse Drüsen an der Unterfläche und dem Rand der Zunge. Entsprechend dem generellen Aufbau von Drüsen gehen auch bei den Speicheldrüsen die Acini in kurze Schaltstücke über, welche zunächst in intralobuläre Sekrettubuli und dann in die interlobulären Ausführungsgänge einmünden. Die Zellen der Acini und beider Tubulusabschnitte ähneln in ihrer Ultrastruktur anderen sekretorischen Zellen. Alle drei Abschnitte einer Speicheldrüse sind an der Speichelbildung und der Einstellung der Elektrolytkonzentration des Sekrets beteiligt. Die drei paarigen Drüsen sind mit sympathischen Nerven vom Ganglion cervicale superius versorgt. Diese Fasern setzen sämtlich Adrenalin frei. Sie ziehen zu den Blutgefäßen und den sekretorischen Zellen. Reizung dieser zuführenden sympathischen Fasern löst in allen Drüsen eine Gefäßkonstriktion aus (stressbedingte Austrockung des Mundes). Beim Menschen verursacht die Injektion von Adrenalin eine moderate Sekretion der Submandibulardrüsen, nicht aber der Parotisdrüsen. Parasympathisch werden die Drüsen von Fasern aus kranialen Zentren versorgt, wobei hier postganglionär Acetylcholin als wichtigster Neurotransmitter dient. Die gesamte Speichelsekretion wird beim Menschen ausschließlich neural reguliert. Wie schon erwähnt, wird die Speichelsekretion durch starke Wasserverluste, Angst und Furcht sowie andere starke psychische Belastungen vermindert. Die Speichelsekretionsrate kann jedoch auch bis zum 15-fachen gesteigert werden, wenn die Drüsen maximal innerviert werden. Bedingte Reflexe – ähnlich wie beim Pawlowschen Hund – sind bei der Speichelsekretion des Menschen nur von geringer Bedeutung. Nach Kanulierung der Ausführungsgänge der Speicheldrüsen zur genauen Erfassung der Sekretionsrate, zeigte sich bei Versuchspersonen keine oder nur eine minimale Sekretionssteigerung durch jene Dinge, die uns – wie wir glauben – das Wasser im Mund zusammenlaufen lassen. Vielmehr scheint der Eindruck, dass uns der Mund wässrig wird, dadurch erklärbar, dass im Wachzustand die Mundhöhle immer Speichel enthält, obwohl wir uns dessen für gewöhnlich nicht bewusst sind. Der Gedanke ans Essen ruft uns die Anwesenheit des Speichels ins Bewusstsein und daraus schließen wir, dass wir soeben den Speichel abgesondert haben. Eine effektive Stimulation der Speichelsekretion wird erreicht, wenn die neuronalen Signale in die entsprechende physiologische Antwort übersetzt werden. Dazu müssen unter anderem die Blut- und Sauerstoffversorgung der Speicheldrüsen drastisch (etwa 20-fach) erhöht, die Stoffwechselrate der Zellen gesteigert und eine Vielzahl von Absorptions- und Sekretionsprozessen angepasst werden. Entsprechend wird der Gefäßtonus im versorgenden arteriellen Blutsystem reduziert, um den Blutfluss, die Sauerstoff- und die Nährstoffzufuhr zu erhöhen. Die Stoffwechselleistung der Zellen steigt in der Folge stark an. Auf der Grundlage der Anatomie des Drüsenkörpers mit seiner charakteristischen Blutgefäßarchitektur kann im Gegenstromaustausch (Abbildung 7.3.) nun die Komposition des Speichels und seine Sekretionsrate verändert werden. Das von den Acinuszellen im Drüsenkopf gebildete Primärsekret stellt prinzipiell ein Ultrafiltrat des Plasmas dar, das heißt, die Elektrolytzusammensetzung entspricht weitgehend der des intravasalen Raumes. In den Schaltstücken und den Ausführungsgängen der Drüsen erfährt dieses Primärsekret jedoch durch eine Vielzahl von elektroneutralen und elektrogenen Transportprozessen charakteristische Veränderungen. Bei basaler Sekretionsrate wird dadurch eine sehr effiziente, fast vollständige Reabsorption aller

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 313

Acinuskapillaren

venöses Blut

H2O

K+

Cl

_

Acinuskapillaren

Primärsekret der Acinuszellen

H 2O _ HCO 3

Tubuluskapillaren

Tubuluskapillaren

arterielles Blut

Sekret

7.3

Na+ K+ _ Cl

H2O

Schematischer Aufbau einer Speicheldrüse und der wichtigsten Elektrolyttransportprozesse bei der Sekretion des Speichels

Hauptelektrolyte (Na+, Cl–, HCO3–) mit Ausnahme von K+ ermöglicht. Daran osmotisch gekoppelt wird auch das Wasser reabsorbiert, so dass das Sekret einer unstimulierten Drüse eine stark hypotone Flüssigkeit darstellt. Die Reabsorption von Bicarbonat führt gleichzeitig dazu, dass der pH-Wert des Speichels bei etwa 5,5 bis 6,1 liegt. Nach dem Austritt in die Mundhöhle wird der Speichel jedoch durch Verlust an gelöstem CO2 alkalischer. Erfolgt eine Stimulation der Speicheldrüse mit gleichzeitiger Erhöhung des Blutflusses, ist die Flussrate des Sekrets im Drüsenkörper so hoch, dass die Verweilzeit des Primärsekrets in den Ausführungsgängen extrem kurz und die Kapazität zur Reabsorption der Elektrolyte überschritten ist. In der Folge nähert sich die Elektrolytkonzentration des Sekrets der des Plasmas an. Der Speichel weist dann eine Osmolarität von etwa 2/3 des Plasmawertes auf. Die Bicarbonatkonzentration liegt nach maximaler Stimulation der Speicheldrüsen sogar bei etwa 55 mmol × L–1 und ist damit etwa doppelt so hoch wie die des Plasmas. Dies ist auch die Ursache für den dann recht alkalischen pHWert im Speichel bei konstantem pCO2. Zu den Besonderheiten der Zellen in den Ausführungsgängen der Parotis- und Submandibulardrüsen gehört die Fähigkeit zur Akkumulation und Sekretion von Jodid, Nitrat und Thiocyanat. Deren Konzentration kann daher im Speichel weit über der des Plasmas liegen. Offenbar benutzen die Anionen hierbei denselben Transportmechanismus für die Sekretion, da sie sich gegenseitig behindern können. Ein ähnlicher oder identischer Transporter dient auch der Jodidaufnahme in die Schilddrüse. Eine Bedeutung erlangt die Sekretion von Nitrat in den Speichel vor allem im Magen. Einerseits

314

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

könnte das Nitrat zur Bildung von Stickstoffmonoxid dienen, andererseits spielt es möglicherweise eine Rolle bei der intrinsischen Nitrosaminbildung. Mit der Sekretion von Thiocyanat durch die Speicheldrüsen erhält der Speichel auch eine bakteriostatische Funktion in der Mundhöhle.

7.3 Der Magen erfüllt in erster Linie Kontrollfunktionen Als Hohlorgan dient der Magen in erster Linie der vorübergehenden Speicherung der abgeschluckten festen Nahrung und Flüssigkeit, um sie nach Durchmischung fraktioniert, das heißt portionsweise in das Duodenum zu entleeren. Er gliedert sich anatomisch und funktionell in den kuppelförmigen Fundusbereich, der oberhalb des Eintritts der Speiseröhre (Kardiabereich) liegt, den eigentlichen Magenköper (Corpus) und den, dem Pylorus (Magenausgang) vorgelagerten, Antrumabschnitt. Die Muskelschichten der Magenwand sind verhältnismäßig dünn und verdicken sich erst im Pylorusbereich stark. Sie verlaufen in Längs- und Querrichtung sowie schräg abwärts und bilden so eine dreischichtige Lage glatter Muskelfasern. Dies erlaubt eine schnelle Anpassung der Magenwanddehnung an den Füllungszustand. Im nüchternen Zustand, das heißt, bei leerem Magen, liegen die Innenwände dicht beieinander und nur im Fundusbereich lässt sich ein mit Gas gefüllter Raum nachweisen. Bei Füllung des Magens kommt es zur Dehnung der Wände, jedoch steigt aufgrund der rezeptiven Relaxation der Fasern der Druck im Lumen kaum an. Nach Aufnahme fester Nahrung weist der Mageninhalt eine deutliche Schichtung auf. Die zuletzt aufgenommene Nahrung liegt in der kleinen Kurvatur, also zwischen Kardia und Antrum, während die am längsten im Magen befindliche, sich im Pylorusbereich aufhält. Die Durchmischung des Mageninhalts erfolgt durch peristaltische Kontraktionen, die von einer Schrittmacherzone im unteren Corpusbereich ausgehen und mit einer Frequenz von circa 20 Sekunden als ringförmige Einschnürungen propagiert werden. Ist der Pylorus geschlossen, führen die wellenförmigen Bewegungen zu einer Verteilung des Chymus entlang der Innenwände nach oben, was zu einer starken Durchmischung führt. Wird der Pylorus geöffnet, kommt es als Folge der kräftigen Kontraktionen im Antrumbereich zu einer schnellen Entleerung, die sofort danach wieder zu einem Verschluß des Pylorus führt. Die Regulation der Entleerung ist ein außerordentlich komplexer Vorgang, der die Integration einer Vielzahl von Messgrößen zugrunde liegt. Die Motilität und fraktionelle Entleerung werden durch den in der Magenwand gelegenen Nerven-Plexus sowie den Nervus vagus und eine Reihe gastrointestinaler Hormone gesteuert. So wird die mechanische Magendehnung bereits unmittelbar in eine peristaltische Kontraktion übersetzt. Diese wird durch parasympathische Nervenimpulse über den Nervus vagus stark erhöht und kann daher durch Atropin als Parasympatholytikum gehemmt werden. Auch Gastrin erhöht die Entleerungsrate, wobei seine Freisetzung aus den G-Zellen der Antrumschleimhaut wiederum durch Magendehnung und zum Beispiel einen hohen Proteingehalt der Kost stimuliert wird. Auch die Partikelgröße des Chymus führt zu einer Förderung der Entleerung, wenn sie unter etwa 2 mm sinkt. Im Sinne einer Rückkopplung wird die Magenentleerung verlangsamt, wenn es zum Beispiel zu einem Abfall des pH-Werts im Duodenum kommt. Dies wird vorwiegend über die Sekretinfreisetzung vermittelt. Auch ein hoher Fett- und Energiegehalt im Duodenum reduziert über die ausgelöste CCK- und GIP-Freisetzung die Entleerung. Als re-

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 315

flektorische Hemmung wird die Magenentleerung auch bei hypertonem Duodenalinhalt und bei einer Dehnung des oberen Dünndarms vermindert. Darüber hinaus wirken auch die Temperatur der aufgenommenen Nahrung sowie die Lage des Körpers modulierend auf die Magenfüllung und Entleerungskinetik. Generell werden Flüssigkeiten sehr viel schneller entleert als feste Nahrungsbestandteile oder eine halbflüssige Kost. Teilweise lässt sich auch eine partielle Entmischung der Nahrung beobachten, so dass die flüssige Phase entlang der kleinen Kurvatur schneller zur Entleerung gelangt, als die gleichzeitig aufgenommene feste Nahrung. Im zeitlichen Verlauf zeigt die Entleerungskinetik nach Nahrungsaufnahme initial die höchste fraktionelle Rate mit bis zu 70–100 ml pro 10 min-Intervall. Nachfolgend sinkt die Entleerungsrate etwa im Verlauf von ein bis zwei Stunden exponentiell mit der Zeit. Dabei ändert sich aufgrund der Sekretionsprozesse im Magen auch die Zusammensetzung des in das Duodenum entleerten Chymus kontinuierlich.

7.3.1 Magenfunktionen werden mit intestinalen Sekretionsprozessen koordiniert Die Motilität des Magens und des Dünndarms ist einschließlich der Magenentleerung in einen Regelkreis, der auch die Sekretionsvorgänge des Magen-, Dünndarmund Pankreasgewebes einbezieht, eingebunden. Im Mittelpunkt der Steuerung steht die Sekretion der Salzsäure, die über ein komplexes Rückkopplungssystem reguliert wird. Morphologische Grundlage der spezifischen Sekretionsprozesse der Magenschleimhaut sind die tubulösen Drüseneinheiten, die auf eine Muskelschicht und die Submucosa aufgelagert sind (Abbildung 7.4). Eine Magendrüse wird von mehreren Zellarten gebildet. Auf der Magenoberfläche finden sich überwiegend einfache Epithelzellen mit der Fähigkeit zur Sekretion von Bicarbonat. Im Drüsenhals liegen sehr viele Nebenzellen, die „muc“-Gene exprimieren und Mucus sezernieren. Im Sinne einer funktionellen Kompartimentierung finden sich im unteren Teil des Drüsenkörpers (Abbildung 7.4) nebeneinander angeordnet Parietalzellen (Belegzellen) und Hauptzellen sowie auf dem Drüsenboden gelegen, basal-granulierte endokrine Zellen. Die apikalen Granula der Hauptzellen enthalten vor allem Pepsinogen. Die Parietalzellen spielen in vielfacher Hinsicht eine sehr wichtige Rolle im Sekretionsgeschehen des Magens. Sie sind der Ort der HCl-Sekretion und bilden den für die Cobalaminresorption im Ileum benötigten Intrinsic-Faktor (Abschnitt 7.8.2). Morphologisch fallen die Parietalzellen durch ihre Größe und starke Einfurchungen mit intrazellulären Kanälchen (Canaliculi) auf. Grundsätzlich lassen sich Förderung und Hemmung der gastralen Salzsäuresekretion in eine kephale, eine gastrale und eine intestinale Phase gliedern (Abbildung 7.5). Neben einer Hypoglykämie sind es Geruch, Geschmack sowie Kau- und Schluckvorgang, die bereits vor dem Eintreffen der Nahrung im Magen in der kephalen Phase die Sekretion von HCl fördern. Diese nervalen Signale werden über eine Acetylcholin- und GRP-Freisetzung (gastrin releasing peptide) vermittelt. Letzteres stimuliert die Gastrinfreisetzung aus den G-Zellen des Antrums und oberen Dünndarms, wobei Acetylcholin und Gastrin direkt an der Parietalzelle wirken. Es soll an dieser Stelle erwähnt werden, dass es nicht nur ein Gastrin gibt, sondern dass im Plasma Gastrine unterschiedlicher Kettenlänge zirkulieren, die jedoch alle dieselbe C-terminale Sequenz tragen, die ihre biologische Aktivität bestimmt.

316

7.4

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Aufbau einer Magendrüse und Lokalisation der für die Sekretion entscheidenden Zelltypen Quelle: Krstic´, R. V. (1978) Die Gewebe des Menschen und der Säugetiere, Springer Vlg. S. 77

Nach Eintreffen der Nahrung im Magen (gastrale Phase) kann über die Dehnungsrezeptoren und unter Einbeziehung des ZNS die HCl-Sekretion über die Acetylcholinabgabe weiter verstärkt werden. Gleiches gilt für die Gastrinfreisetzung, so dass sich die Signalprozesse der kephalen und gastralen Phase stark überlagern. Verstärkend wirken zudem intestinale Signale, die nach dem Eintreffen des Chymus im Duodenum sowohl über Dehnungsreize, als auch chemisch – über Proteine und Aminosäuren – die HCl-Sekretion zusätzlich fördern (intestinale Phase). Ein weiterer wichtiger Botenstoff bei der Förderung der gastralen HCl-Sekretion ist das Histamin (Abbildung 7.6). Dessen Freisetzung aus enterochromaffinen (ECL-)Zellen des Magenepithels wird sowohl durch Acetylcholin als auch durch Gastrin gefördert, so dass ein weiterer Verstärkungsmechanismus zum Tragen kommt. Alle drei Botenstoffe, Gastrin, Acetylcholin und Histamin wirken über membranständige Rezeptoren auf die Sekretion der Parietalzelle. Im Falle des Histamins vermittelt der H2-Rezeptor die Aktivierung des Adenylat-Cyclase-Systems mit nachfolgendem Anstieg des cAMP-Spiegels und Aktivierung der Proteinkinase A. Gastrin und Acetylcholin stimulieren nach Rezeptoraktivierung die InsP3-Signalkaskade mit ei-

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 317

Kephale Phase

Gastrale Phase ZNS

C hy m us

Dehnungsrezeptoren

Geruch Geschmack Kauvorgang Schluckvorgang Hypoglykämie

HCl-Sekretion

Ausschüttung von Gastrin

IntestinalePhase

Acetylcholin Stimulation der HCl-Sekretion

Acetylcholin GRP (gastrin releasing peptide)

Ausschüttung von Gastrin

resorbierte Aminosäuren

+ HCl-Sekretion

+ erhöhter luminaler Druck

7.5

Wichtigste Stimulatoren der Salzsäuresekretion des Menschen in der kephalen, gastralen und intestinalen Phase

nem nachfolgenden Anstieg des cytosolischen freien Ca2+-Spiegels und einer Aktivierung calcium-/calmodulinabhängiger Proteinkinasen. Die Stimulierung der Parietalzelle führt zu einer dramatischen Veränderung des zellulären Stoffwechsels und der Morphologie. So zeigen stimulierte Zellen eine Veränderung des Erscheinungsbildes mit aufgefächerten Canaliculi, die nun alle zum Drüsenlumen hin geöffnet sind und somit eine große apikale Zelloberfläche exponieren. Die Sauerstoffaufnahme der Parietalzelle steigt in Verbindung mit dem ebenfalls erhöhten Blufluss im Gefäßsystem stark an und die Zelle produziert in großem Umfang ATP. Die molekulare Grundlage der nun stark stimulierten HCl-Sekretion ist die Bereitstellung von H+ und HCO3– aus der Carboanhydrase-Reaktion, wobei die Separierung der Ionen dem vektoriellen Export dient. Der Efflux der Protonen erfolgt über die apikale Membran durch den elektroneutralen K+/H+ Antiporter, die K+/H+-ATPase, eine zur Gruppe der Transport-ATPasen gehörendes Membranprotein (Ausschnitt Abbildung 7.6). Unter Verbrauch von ATP über die kovalente Modifikation des Transportproteins wird H+ gegen einen sehr hohen Protonengradienten in das Magenlumen überführt. Gleichzeitig werden Kaliumionen in einem stöchiometrischen Verhältnis aufgenommen; das Membranpotential ändert sich nicht. Damit sind die aus der Carboanhydrase-Reaktion hervorgegangenen Protonen eliminiert. Das im Cytosol verbliebene HCO3– wird durch Efflux über die baso-laterale Membran im Austausch gegen Cl–-Ionen mittels eines elektroneutralen Anionenaustauschers eliminiert. Mit dem Export von HCO3– und H+ geht zunächst eine Akkumulation von K+-Ionen und von Cl–-Ionen einher. Beide Ionenspezies verlassen jedoch die Parietalzelle entsprechend ihrem Gradienten durch die apikale Membran über selektive Ionenkanäle, wobei die K+-Ionen über die K+/H+-ATPase im Sinne eines Recycling wieder in die

318

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

HCl-Sekretion

Cytosol

Magenlumen

Cl

K+

Parietal-Zelle

noradrenerge Neuronen

H+

K+/H+-ATPase

K+

HCl

H+

+ Acetylcholin

Gastrin

+

Gefäße

+

Histamin ECL-Zelle

+ Gastrin

7.6

+

D-Zelle

Acetylcholin cholinerge Neuronen

Somatostatin

An der Regulation der HCl-Sekretion von Parietalzellen beteiligte Zelltypen und Botenstoffe (Inlay: HCl-Abgabe durch die apikale Membran der Parietalzelle) ECL-Zelle = enterochromaffine Zelle, unter anderem auch Mastzellen

Zelle aufgenommen werden können. In der Bilanz erfolgt eine stöchiometrische Abgabe von H+ und Cl– in das Drüsenlumen und damit in den Mageninhalt gegen einen bereits existierenden Konzentrationsgradienten. Neben den Signalbotenstoffen Gastrin, Acteylcholin und Histamin und der Carboanhydrase spielt die K+/H+-ATPase damit eine zentrale Rolle in der Salzsäuresekretion des Magens. Sie ist somit auch das Ziel moderner Pharmaka, die als Inhibitoren der ATPase die HCl-Sekretion vollständig blockieren können. Auch wenn alle Prozesse der Stimulation in einer sich verstärkenden Signalkaskade ablaufen, finden sich auch inhibitorisch wirkende Substanzen (Abbildung 7.6). So hemmt Noradrenalin zum Beispiel die Freisetzung von Histamin aus den ECL-Zellen und dämpft damit die Stimulation der Parietalzelle. Gleichzeitig stimulieren die cholinergen Neuronen auch D-Zellen im Fundus und im Antrum, die daraufhin Somatostatin sezernieren. Die Somatostatinsekretion wird darüber hinaus auch durch das calcitoningene related peptide (CGRP) und einen pH-Abfall unter 3,0 gefördert. Im Fundus bewirkt die Freisetzung von Somatostatin die Hemmung der Histaminabgabe durch die ECL-Zellen und im Antrum die Hemmung der Freisetzung von Gastrin aus den G-Zellen. Damit sinkt die Konzentration zweier wichtiger Stimulatoren der Salzsäuresekretion. Wesentlich für die Integration der Salzsäuresekretion in den Regelkreis von Magen und Dünndarm sind die Rückkopplungsschleifen, die vom Duodenum ausgehen. Der im Duodenum angelangte Chymus stellt mit seiner Menge und Komposition die Stellgröße für die Stimulation der Sekretion des exokrinen Pankreas dar, die durch die Abgabe von Sekretin und CCK aus enteroendokrinen Zellen im oberen Dünndarm vermittelt wird. Gleichzeitig werden damit auch Signale in die Sekretion inhibitorischer

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 319

Hormone umgesetzt, die im Magen die Somatostatinfreisetzung fördern und damit die Salzsäuresekretion hemmen. Dazu zählen das von S-Zellen des Antrums und Duodenums sezernierte Sekretin, das in EG-Zellen des Darms gebildete Enteroglucagon, das aus D1-Zellen freigesetzte VIP sowie das in N-Zellen produzierte Neurotensin. Wichtigstes Signal für die Freisetzung dieser für die HCl-Sekretion inhibitorischen Peptide, ist der intraduodenale pH-Wert, der nicht unter einen Schwellenwert absinken sollte, da dies zur Schädigung des Epithels führt. Um die pH-Homöostase zu erreichen, wird in der Rückkopplung zum Magen adaptativ die Salzsäuresekretion und die Entleerungsrate über die entsprechenden Hormone reduziert. Weitere relevante Sekretionsprozesse des Magenepithels sind die Enzymsekretion aus den Hauptzellen, die Volumen- und Bicarbonat-Sekretion der Oberflächenepithelzellen und die Mucus-Sekretion der Nebenzellen. Auch diese Prozesse unterliegen vielfältigen Regulationsvorgängen. So wirken zum Beispiel Gastrin, CCK und GIP über den InsP3-Weg sowie Sekretin, VIP, Prostaglandine (vor allem PGE) und Catecholamine über den cAMP-Weg stimulatorisch auf die Pepsinogensekretion. Prostaglandine spielen darüber hinaus eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Schutzfunktion des Magenepithels gegenüber einem Säure- und Proteasenangriff, weil sie die Mucussekretion und die Bicarbonatsekretion fördern, wodurch ein pH-neutrales Milieu der Magenwand in der Mucusschicht aufrechterhalten werden kann. Hemmt man die Prostanoidbildung zum Beispiel durch hoch dosierte nicht-steroidale Antiphlogistika, wie Aspirin, wird die Barrierefunktion beeinträchtigt und gastrointestinale Nebenwirkungen wie Gastritis und Schleimhautblutungen sind die Folge.

7.3.2 Die Digestionsleistungen des Magens sind vermutlich nicht sehr bedeutend Mit der Sekretion von HCl und Pepsinogen werden bereits im Magen Digestionsprozesse eingeleitet. Pepsinogen wird als Zymogen vom Magen selbst synthetisiert. Nach seiner Freisetzung aus den Zymogengranula wird ein aminoendständiges Vorstufensegment aus 44 Aminosäuren im Ausführungsgang des Drüsenkörpers säurehydrolytisch bei einem pH-Optimum von < 2 aktiviert und so seine katalytische Domäne freigesetzt (Abschnitt 1.3.3). In der Folge kann es nun autokatalytisch, das heißt proteolytisch, zur weiteren Bildung aktiven Pepsins beitragen und so sehr schnell eine hohe aktive Enzymmenge bereitstellen. Pepsin gehört zur Gruppe der Aspartatproteasen und besitzt ein pH-Optimum von 2. Immunologisch lassen sich zwei Pepsinogenvarianten nachweisen, die auch aus unterschiedlichen Zelltypen stammen. Pepsin besitzt vor allem eine hohe Aktivität gegenüber Kollagen und scheint insgesamt eine größere Rolle für die Proteolyse tierischer als pflanzlicher Proteine zu spielen. Pepsin besitzt auch im Zusammenhang mit der Entstehung von Ulcera eine große Bedeutung, da Salzsäure nur in Kombination mit Pepsin – nicht aber allein – zu einer Magenschleimhautschädigung führt. Untersucht man den Mageninhalt zu verschiedenen Zeitpunkten nach Verabreichung definierter Mahlzeiten, wird deutlich, dass die Proteindigestion im Magen nur in begrenztem Umfang stattfindet. Zwar führt Pepsin zu einer Verkleinerung der Nahrungspartikel, zur Lyse von Zellmembranen und zur partiellen Aufspaltung makromolekularer Proteine in Oligopeptide, doch werden praktisch keine kurzkettigen Peptide oder Aminosäuren freigesetzt. Auch wird der Einfluss des intragastralen pH-Werts auf die Proteinverdauung, insbesondere die Denaturierung der Nahrungsproteine, häufig überbewertet. Dass die Digestion der Proteine im Magen für die Proteinverwertung insge-

320

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Mahlzeit intragastraler pH

A

1

2

3

4

80 60 40 20

7.7

400 ml halb-flüssig, pH 6.0 1920 kJ 40 Energie% Kohlenhydrate 40 Energie% Fett 20 Energie% Protein

C

2

3

h

4

Mahlzeit

B

100

0

Mahlzeit

1

h

Mahlzeit

ml

D

intraduodenaler pH

Entleerungsrate

ml 10 min 120

intragastales Volumen

samt, das heißt deren weitere intestinale Hydrolyse und die Resorption der Abbauprodukte, keine große Rolle spielt, wird auch daran deutlich, dass bei Menschen mit pharmakologischer Blockade der HCl-Sekretion und damit auch verminderter Pepsinogenaktivierung keine Beeinträchtigungen der Proteinverwertung bekannt geworden sind. Aspiriert man den Mageninhalt nach einer Mahlzeit und bestimmt den Grad der Kohlenhydratdigestion, kann man im Gegensatz zu den Proteinen eine signifikant fortschreitende Hydrolyse oligomerer Kohlenhydrate beobachten. Dies geht im wesentlichen auf die Aktivität der Speichel-Amylase zurück, die offenbar im Magen auch bei einem pH 2 aktiv ist. Ähnliches gilt auch für die Wirkung der Lipase des Speichels. Auch diese ist im Magen aktiv und hydrolysiert vor allem Triglyceride mit kurz- und mittelkettigen Fettsäuren, die typisch für das Milchfett sind. Aus diesem Grund wird der Speichel-Lipase besonders beim Säugling, dessen Magen-pH-Wert insgesamt weniger sauer ist, eine wichtige Rolle bei der Milchfetthydrolyse beigemessen. Die Ausprägung der katalytischen Aktivität von Amylase und Lipase steht damit jedoch scheinbar im Widerspruch zum intragastralen pH-Milieu, denn beide Enzyme weisen ein pH-Optimum im neutralen Bereich auf und werden bei niedrigem pH schnell inaktiviert. Allerdings herrschen über den pH-Wert im Magen nach Nahrungsaufnahme häufig falsche Vorstellungen. Der Mageninhalt ist nämlich dann am sauersten, wenn keine Nahrung enthalten ist. Die basale Sekretion der Salzsäure führt dazu, dass das sehr geringe Flüssigkeitsvolumen (circa 20–50 ml) im nüchternen Zustand extrem niedrige pHWerte von 1,9–2,5 aufweist. Abbildung 7.7 zeigt an einem Beispiel die Veränderungen des pH-Werts im Magen und Duodenum sowie das Volumen des Mageninhalts und die Entleerungsrate nach Verabreichung von 400 ml einer halb-flüssigen Kost definierter Zusammensetzung an Probanden. Nach Nahrungsaufnahme steigt der pH-Wert im Magen zunächst sprunghaft an (Abbildung 7.7 A). Abhängig von der Pufferkapazität der zugeführten Nahrung kann sich der pH-Wert auf 4,5 bis 6,5 erhöhen. Die Pufferkapazität des Chymus wird dabei neben den titrierbaren Basen vor allem von der aufge-

0

1

2

3

h

0

1

2

3

h

Veränderungen des intragastralen und intraduodenalen pH sowie des Magenvolumens und der Entleerungsrate vor und nach Aufnahme einer definierten Kost (modifiziert nach Malagelada et al., In: Gastroenterology 70 (1976) S. 203–210)

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 321

nommenen Proteinmenge bestimmt, da Proteine bekanntlich gut puffern. Obwohl das Magenepithel über die beschriebenen Mechanismen nach Nahrungsaufnahme in starkem Umfang Salzsäure und Flüssigkeit sezerniert, bleibt zunächst der pH-Wert des Inhalts davon wenig beeinflusst. In einer zeitabhängigen Reaktion kommt es nun zu charakteristischen Veränderungen im Mageninhalt. Trotz einer sofort eintretenden Entleerung relativ hoher Chymusmengen in das Duodenum (Abbildung 7.7 B), bleibt das Gesamtvolumen des Mageninhalts über etwa 1 Stunde recht konstant (Abbildung 7.7 C). Dies beruht auf der Volumensekretion des Magens, die die entleerte Chymusmenge substituiert. Da mit der Entleerung jedoch auch Puffer (Proteine) in das Duodenum abgegeben werden, reduziert sich die Pufferkapazität des Mageninhalts. Bei gleichbleibend hoher Sekretionsrate der HCl sinkt der pH-Wert im Magenlumen nun exponentiell ab, um circa 30 bis 60 min nach Nahrungsaufnahme den Ausgangswert des nüchternen Magens zu erreichen (Abbildung 7.7 A). Dies heißt, dass erst zu späteren Zeitpunkten nach Nahrungsaufnahme ein sehr saurer Mageninhalt in das Duodenum entleert wird und die oben beschriebenen Regulationsmechanismen dann zur Hemmung der HCl- und Pepsinogensekretion führen. Der intragastrale pH-Wert zeigt damit ausgeprägte, durch die Mahlzeiten bedingte Schwankungen, die zusätzlich von der Menge und Zuammensetzung der aufgenommenen Nahrung abhängen. Während Proteine – wie erwähnt – über eine starke Pufferwirkung den pH-Wert in Richtung neutral verschieben, kann ein hoher Fett- und Energiegehalt der Kost über die signifikant reduzierte Magenentleerungsrate zu einem niedrigeren pH-Wert im Magenchymus führen. Verglichen mit den nachgeschalteten Prozessen der Digestion im Darm, spielen die Verdauungsvorgänge im Magen insgesamt eine nur untergeordnete Rolle. Viel wichtiger scheint dagegen die entleerte Chymusmenge, da sie das Substratangebot für die Enzyme von Pankreas und Darmepithel darstellt und damit regulierend auf den Umfang der Digestion wirkt. In diesem Zusammenhang muss auch darauf hingewiesen werden, dass die Verweilzeit des Chymus im Duodenum außerordentlich kurz ist, da unter anderem aufgrund hoher Flüssigkeitssekretionsraten des Epithels und des Pankreas, sehr hohe Flussraten des Chymus erreicht werden. Anatomisch werden Pankreas und Darm im Duodenum durch den Einmündungsgang des Pankreas verbunden. Gleichzeitig wird meist auch das Sekret der Gallenblase über diesen Ausführungsgang in das Duodenum entleert. Unmittelbar am Ausgang des Pylorus des Magens erweitert sich das Duodenum herzförmig zum Bulbus duodeni, der danach in das deutlich engere Darmrohr übergeht. Während im Bulbus duodeni noch extreme Schwankungen des pH-Wertes zu beobachten sind, die unmittelbar vom Mageninhalt bestimmt werden, kann bereits wenige Zentimeter unterhalb davon ein weniger stark fluktuierender pH-Verlauf registriert werden. Dies ist die Folge der kompensatorischen Titration des Duodenalinhalts durch Bicarbonationen aus dem exokrinen Pankreas und der Sekretion der Duodenaldrüsen oder Brunnerschen Drüsen. Diese sind anatomisch den Magendrüsen ähnlich in die Duodenalschleimhaut eingebettet. Sie sezernieren ein an Bicarbonat und Mucinen reiches Sekret. Auch die Oberflächenepithelzellen sind zu einer umfangreichen Bicarbonatsekretion befähigt.

322

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

7.4 Verschiedene morphologische Strukturen führen zu einer extremen Vergrößerung der inneren Darmoberfläche Der gesamte Dünndarm des erwachsenen Menschen weist bei einer Länge von etwa 6–8 Metern einen morphologisch einheitlichen Aufbau auf (Abbildung 7.8). Auf die äußere Serosa (Tunica serosa), in die dem Darm anliegenden Blutgefäße einziehen, lagert sich eine Längsmuskelschicht auf (Lamina muscularis). Zwischen dieser und der nachfolgenden Ringmuskelschicht liegen Fasern des intestinalen Nervengewebes mit dem Plexus myentericus, die unter anderem für die autonome Steuerung von Motilitätsvorgängen verantwortlich sind. In diesem Bereich der Muskelschicht lassen sich auch einzelne Lymphgefäße nachweisen. An der Grenzfläche zwischen Submucosa und der nun folgenden dünnen Muskelschicht der Mucosa (Muscularis mucosae) zeigt sich das ausgeprägte Nervengeflecht des Plexus submucosus (Meissner-Plexus), aus dem heraus einzelne Nervenfasern in die Zotten bis unmittelbar unter die Epithelzellen ziehen. Eingebettet in die mucosale Muskelschicht sind auch einzelne Lymphgefäßansammlungen, die als Drainagesystem die Lymphflüssigkeit aus dem Zottenbereich sammeln. Ein noch eindrucksvolleres Netzwerk von Blutgefäßen durchzieht die einzelnen Gewebeschichten. Die epithelialen Zellen auf den Zotten werden dabei meist von einer zentralen, in der Zotte aufsteigenden Arterie versorgt, während das venöse Abflusssystem von der Zottenspitze zur Basis korbartig das Resorbat sammelt und zentralen Venen zuführt.

7.8

Oberflächenvergrößernde Faktoren der Darmschleimhaut einschließlich der Gewebeschichtung und Architektur der die Zotten versorgenden Nerven sowie der Blut- und Lymphgefäße

Vergößerung der Oberfläche Kerckringsche Falten

Lymphgef„áe

Blutgef„áe

Nervensystem

x3 Zotten

x30

Zotten

Tunica mucosa

Mikrovilli

Muscularis mucosae

x600

Lymphknoten

Tela submucosa Pl. submucosus Lamina muscularis Lamina muscularis

Pl. myentericus

Tunica serosa

Enterocyt

Blut-

und

Lymphgefäße

Nerven

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 323

Funktionsträger der vielfältigen Aufgaben des Intestinaltrakts bei Digestion, Resorption, als immunbiologische Kontaktfläche und als größtes endokrines Organ sind die unterschiedlichen Zelltypen, die seine innere Oberfläche auskleiden. Neben den dominierenden Saumzellen, den Enterocyten, zählen dazu undifferenzierte Kryptenzellen, Zwischenzellen, Becherzellen, Paneth-Zellen, M-Zellen, eine Vielzahl verschiedener entero-endokriner Zellen und epithelassoziierte Zellen, wie intraepitheliale Lymphocyten. Das Besondere der Dünndarmschleimhaut ist die starke Oberflächenvergrößerung durch Schleimhautfalten (Kerkringsche Falten), Zotten und Mikrovilli. Durch die unterschiedliche Ausprägung von Strukturen entlang des Dünndarms nimmt die Kontaktoberfläche von proximal nach distal stark ab. So reduziert sich die Zahl der segelförmigen, in das Darmlumen ragenden, Kerkringschen Falten vom Duodenum zum Ileum. Auch die Zahl der Zotten pro Flächen- oder Längeneinheit sowie ihre Größe sinkt von proximal nach distal und entsprechend sinkt auch die Zahl der Enterocyten. Abbildung 7.8 zeigt die unterschiedliche Ausprägung der oberflächenvergrößernden Strukturen. Die letzte Substruktur, die die Kontaktoberfläche vergrößert, sind die Mikrovilli, von denen ein reifer Enterocyt im Bereich der Zottenspitze etwa 700 bis 3000 trägt. Während eine Epithelzelle etwa 6–9 μm breit und 20–30 μm lang ist, sind Mikrovilli nur noch 0,5 bis 1,5 μm lang und maximal 0,15 μm breit. Ihre Struktur und Stabilität wird von einem dichten und verwobenem Netz von Filamenten des Cytoskeletts ermöglicht (Abschnitt 1.2.7.1), das mit dem restlichen Cytoskelett des Zellkörpers verbunden ist. Die Bürstensaummembran der Mikrovilli stellt als Phospholipid-Doppelschicht mit integralen Membrantransportpoteinen und an der Membran verankerten Enzymproteinen die kleinste funktionelle Einheit dar. Durch die unterschiedliche Anzahl und Größe von Falten, Zotten, Enterocyten und Mikrovilli pro Zelle im oberen und unteren Dünndarm ist es sehr schwer die Kontaktoberfläche genau zu bestimmen. Gegenüber einem einfachen Zylinder wird sie jedoch durch die Substrukturen etwa 600-fach vergrößert (Abbildung 7.8). Auf den gesamten Dünndarm übertragen, ergibt sich daraus eine Oberfläche von etwa 300 bis 400 m2. Das Dünndarmepithel ist ein außerordentlich dynamisches Gewebe, das einen ständigen Umbau erfährt. Aus der Kryptenregion, der Proliferationszone des Epithels, erneuert sich die Mucosaoberfläche in circa 3–6 Tagen (Ileum, 3–4 Tage, Duodenum, 5–6 Tage) vollständig. Aus Stammzellen beziehungsweise multipotenten Kryptenzellen entstehen durch Teilung die neuen Zellen, die in Richtung Zottenspitze wandern. Beim Aufstieg zur Spitze der Zotte durchlaufen die Zellen ein umfangreiches Differenzierungsprogramm mit zunehmender Ausprägung der phänotypischen Eigenschaften (Abbildung 7.9). So finden sich in Enterocyten die Oberflächenenzyme (zum Beispiel Disaccharidasen) als Indikator der Differenzierung erstmals, wenn die Zellen den Kryptenbereich verlassen. Die höchste Aktivität der Enzyme kann gemessen werden, wenn die Zellen das obere Zottendrittel erreicht haben. In der Extrusionszone an der Zottenspitze werden die reifen Enterocyten in das Darmlumen abgestoßen. An dieser Abstoßung sind Signalwege der Apoptose (programmierter Zelltod, Abschnitt 6.2) beteiligt. Eine Vielzahl von Steuersignalen sind für das Proliferations- und Differenzierungsprogramm sowie die Apoptose in intestinalen Zellen verantwortlich. Neben den klassischen Peptidwachstumsfaktoren (EGF und TGF) zählen auch viele der gastrointestinalen Hormone zu den Signalgebern, die die Morphologie des Epithels beeinflussen. Da ihre Freisetzung vom luminalen Nahrungsangebot beziehungsweise der Zu-

324

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Digestion und Resoption

ProliferierendeZellen

Zotte

KRYPTE

Stammzellen

Ort der Sekretion

Proliferationszone

Differenzierungszone

reifer Enterocyt

Panethsche Zellen

7.9

Funktionelle Kompartimentierung der Sekretions- sowie der Digestions- und Resorptionsvorgänge entlang der Krypten-Zottenachse im Dünndarm

sammensetzung des Chymus beeinflusst wird, kommt es beim Fehlen dieser Signale, zum Beispiel bei längerfristiger parenteraler Ernährung, zu einer Schleimhautatrophie.

7.4.1 Der obere Dünndarm funktioniert wie ein Bioreaktor mit Prozessüberwachung Primäre Aufgabe des oberen Dünndarms ist die Verdauung der aus dem Magen angelieferten und noch immer komplexen Makronährstoffe. Deren Hydrolyse unter Beteiligung einer Vielzahl von Enzymen erfordert für den Ablauf der Reaktionen ein weitgehend konstantes Milieu, eine entsprechende Enzymmenge, eine Solubilisierung von lipophilen Bestandteilen und ein Entfernen der Reaktionsprodukte der Enzymkatalyse. Über ein entsprechendes Regulationssystem erfolgt die Prozesskontrolle, das heißt, Art und Umfang der Digestion müssen registriert und durch verminderte oder vermehrte Freisetzung von Enzymen, Gallensekret oder Bicarbonat zur Optimierung des Prozessablaufs angepasst werden. Eine zentrale Rolle nimmt dabei das Pankreas ein. Es ist ein exkretorisches Organ, in das innersekretorische Zellverbände, die sogenannten Langerhansschen Inseln, inselartig eingestreut sind. Das langgestreckte, etwa 100 g schwere Organ liegt in der Duodenalschleife und wird in seiner ganzen Länge von einem Ausführungsgang durchzogen. Vom Pankreas werden pro Tag etwa 0,7 bis 2,5 Liter Sekret mit einem pH-Wert von circa 7,7 (7,5 bis 8,8) – aufgrund seines hohen Bicarbonatgehalts – produziert. Das Organ besteht aus einer Vielzahl von Läppchen, die wiederum in kleinere Läppchen unterteilt sind. In diesen finden sich viele Gangverzweigungen, die in beerenförmigen Drüsenköpfen, den Acini, enden. Mit über 80 % der Zellmasse bilden die Acinuszellen die wichtigste Organkomponente. Zwischen den Ausführungsgängen und den Acini fin-

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 325

den sich Schaltstücke mit den für das exokrine Pankreas typischen zentroacinären Zellen. Die Enzyme beziehungsweise die inaktiven Proenzyme des Pankreassekretes werden in den Acinuszellen gebildet und in deren apikal gelegenen Zymogengranula gespeichert. Der Bauchspeichel enthält kohlenhydrat-, eiweiß- und fettspaltende Enzyme (Abbildung 7.10). Bei einer Reihe der Enzyme lassen sich noch unterschiedliche Isoformen nachweisen. Um den Acinus und die Schaltstücke vor einem proteolytischen Angriff und Selbstverdauung zu schützen, werden alle proteolytischen Enzyme als inaktive Vorstufen, die Zymogene, gebildet. Diesem Schutz dient auch die Sekretion von cysteinreichen Proteinen mit Trypsininhibitoraktivität. Erst unter Wirkung der Enterokinase, einer am Dünndarmepithel nachweisbaren Endopeptidase, wird durch partielle Proteolyse die Aktivierung des Trypsinogens eingeleitet. Die Enterokinase besitzt nur ein Substrat, nämlich Trypsinogen, und wird in Gegenwart von Gallensäuren vom Epithel abgelöst. Durch Enterokinase aktiviertes Trypsin kann sehr schnell durch gezielte Proteolyse autokatalytisch Trypsinogen sowie die anderen Enzyme aktivieren. Die zweite Hauptfraktion des Pankreassekrets ist die Volumen- beziehungsweise Elektrolytphase. Sie dient vor allem der pH-Homöostase im Duodenum. Ihre Sekretion erfolgt im Acinus und den Schaltstücken, wobei das Sekret charakteristische Veränderungen seiner Zusammensetzung auf dem Weg in das Duodenallumen erfährt. Zunächst wird ein Primärsekret mit plasmaähnlicher Elektrolytzusammensetzung und Sekretion

Azinus

Protein-Kinasen + cGMP

+

NO

+

ProteolytischeEnzyme Trypsinogen Chymotr ypsinogen Proelastase Procarboxypeptidase

2+

Ca in +

R

NOS L - Arg

cAMP

InsP3 AC PIP2

Rezeptoren

Rezeptoren

+ Acetylcholin CCK Bombesin Substanz P

+ Sekretin VIP

NOS: Stickstoffmonoxid-Synthase PIP2: Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat InsP3: Inositol-trisphosphat AC: Adenylatcyclase R: InsP3-Rezeptor

7.10

LipolytischeEnzyme Lipase Phospholipasen Carboxylesterase AmylolytischeEnzyme -Amylase Nucleasen DNasen RNasen Andere Procolipase Trypsin-Inhibitor

Enzymsekretion des exokrinen Pankreas und Signaltransduktionsprozesse in Acinuszellen nach Stimulation mit gastrointestinalen Hormonen

326

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Osmolarität gebildet. Bei den Elektrolyten dominieren Na+, Cl– und HCO3–. Abhängig vom Grad der Stimulation sinkt die Chloridkonzentration spiegelbildlich zum Anstieg der Bicabonatkonzentration, während Natrium- und Kaliumkonzentration unverändert bleiben. Auch die Osmolarität bleibt unbeeinflusst von der Sekretionsrate. Aufgrund der hyperbolisch zur Sekretionsrate steigenden HCO3–-Konzentration kommt es bei annähernd konstantem CO2-Partialdruck in den Ausführungsgängen zu einem pH-WertAnstieg im Sekret bis auf 8,8. Auch ohne spezifische Sekretionssignale kann eine basale Sekretion des exokrinen Pankreas beobachtet werden, wobei die Abgabe des Sekrets mit der gastrointestinalen Motilität verbunden ist. Die Regulation der Pankreassekretion erfolgt neural und humoral. Die Stimulation der Sekretion des exokrinen Pankreas kann, vergleichbar der gastralen Sekretion, in eine kephale, eine gastrale und eine intestinale Phase unterteilt werden (Abbildung 7.11). Als kephalische Sekretionsphase wird der Anteil der Bauchspeichelsekretion bezeichnet, der unter dem Einfluss neuraler Impulse steht. Vor und während der Nahrungsaufnahme lösen Geruchs- und Geschmacksreize reflektorisch eine Sekretion aus. Ebenso wirkt der Anblick oder die Vorstellung von Speisen sekretionsfördernd. Die anschließende gastrale Phase wird ausgelöst, wenn die Nahrung in den Magen gelangt. Vor allem durch einen mechanischen Dehnungsreiz erfolgt eine Sekretionssteigerung über lokale Reflexe und die Freisetzung der gastrointestinalen Hormone Sekretin, CCK und Gastrin. Sekretin bewirkt die Ausscheidung größerer Mengen eines stark alkalischen, aber enzymarmen Pankreassekrets. CCK und Gastrin steigern die Enzymabgabe der Drüsenacini. Die intestinale Phase wird durch den Übertritt sauren Mageninhalts beziehungsweise von Fett- und Eiweißabbauprodukten in das Duodenum ausgelöst. Der intestinale Reiz fördert die Pankreassekretion über die Freisetzung von CCK, Sekretin und VIP. Auch Gallensalze sollen die exokrine Pankreasfunktion stimulieren. In den I-Zellen des oberen Dünndarms wird das Cholecystokinin (CCK) gebildet. Es erscheint im Blut in verschieden großen Peptidfragmenten, wobei die Hauptfraktion 33 Aminosäurereste aufweist. Die Sequenz zeigt in seinem carboxyterminalen Bereich eine auffallende Identität mit Gastrinen. Gastrine, wie auch CCK, sind sulfatiert und besitzen einen amidierten Carboxyterminus. Es ist daher nicht verwunderlich, dass Gastrine genauso wie CCK die Sekretion des Pankreas stimulieren können. Sekretin wird in den S-Zellen des oberen Dünndarms gebildet. Es besteht aus 27 Aminosäuren und weist sowohl hinsichtlich Größe als auch hinsichtlich Sequenz Ähnlichkeiten zum VIP auf, das aus 28 Aminosäuren besteht. VIP wird in D1-Zellen des Gastrointestinaltrakts gebildet. Auch Sekretin und VIP sind C-terminal amidiert. Aufgrund unterschiedlicher Ausstattung mit Rezeptoren (verschiedene Isoformen und Dichte) für diese Peptide zeigen Zellen der Acini und der Ausführungsgänge der Drüsen eine unterschiedlich starke Antwort auf die Stimulation mit diesen Hormonen. Während CCK an den Zellen der Schaltstücke allein praktisch keine Wirkung besitzt, stimuliert es stark die Acinuszellen. Sekretin wirkt im Gegensatz dazu auch allein an beiden Zellpopulationen, wenngleich es bei geringeren Plasmakonzentrationen zunächst in den Gangsystemen die Sekretion beeinflusst. Stark vereinfacht gilt CCK als der Förderer der Enzymsekretion und Sekretin in erster Linie als Stimulator der Volumen- und Bicarbonatabgabe. VIP wirkt wie Sekretin auf beide Prozesse. Auf molekularer Ebene vermitteln VIP und Sekretin ihre Aktivität über Gs-Protein gekoppelte Rezeptoren mit einem Anstieg des cAMP-Spiegels und der Aktivierung von Proteinkinase A. CCK, Acetylcholin, aber auch andere Peptide wie Bombesin und Substanz P, beeinflussen die Pankreassekretion dagegen über die Aktivierung des InsP3-Weges und der Proteinkinase C (Abbildung 7.10). Mit dem Anstieg des intra-

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 327

Gastrale Phase

Kephale Phase

Intestinale Phase

bis max.10% der Stimulation

kann bis zu 50% der maximalen Stimulation betragen

Geruch Geschmack Kauvorgang

Vagus-Nerv Vagusafferenz

Vagusafferenz

Vagusefferenz

Volumenzunahme

Vagusefferenz

+ +

C

hy m us

+

Gastrin CCK Stimulation der Proteinsekretion Stimulation der Volumensekretion

7.11

Stimulation der Proteinsekretion

+ Fettsäuren>C8 pH Aminosäuren Peptide

Stimulation der Volumensekretion

Stimulation der Sekretion des exokrinen Pankreas in der kephalen, gastralen und intestinalen Phase

zellulären Spiegels an Calciumionen erfolgt auch die Aktivierung der NO-Synthase und über das gebildete NO ein Anstieg des cGMP-Spiegels. Am Ende dieser Signalkaskaden steht einerseits die Entleerung der Zymogengranula mit Freisetzung der Enzyme und Proenzyme (Abbildung 7.10), andererseits die Beeinflussung der für den Elektrolyttransport verantwortlichen Membranproteine. Signale für die Freisetzung der verschiedenen Peptidhormone aus den endokrinen Zellen der Dünndarmschleimhaut werden offenbar über luminale Rezeptoren in diesen Zellen erfasst, wobei die Natur der Rezeptoren und der Mechanismus ihrer Stimulation bisher nicht bekannt sind. Wichtige Signalgeber für die Hormonfreisetzung und damit die Stimulation der exokrinen Funktion des Pankreas sind der duodenale pHWert und die Anwesenheit von Aminosäuren, Peptiden und Fett. Weder Glucose noch Kohlenhydratpolymere scheinen die exokrine Pankreassekretion zu beeinflussen, wenn sie ins Duodenum gelangen. Im Gegensatz dazu üben Proteine und Oligopeptidgemische, aber auch Aminosäuren eine starke Wirkung auf die Enzymsekretion aus. Unter den freien Aminosäuren scheinen Phenylalanin und Tryptophan eine besondere Rolle einzunehmen. Allerdings wird die Bedeutung der einzelnen Komponenten für die Stimulation der Sekretion kontrovers diskutiert. Sowohl freie Fettsäuren mit mehr als 8 C-Atomen, als auch ihre korrespondierenden Monoglyceride stimulieren nach intraduodenaler Gabe die Volumen- und Enzym-

328

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

sekretion des Pankreas. Sowohl die Sekretionswirkung der Lipide, als auch die der Proteinfraktion des Chymus, werden in erster Linie über die CCK-Freisetzung vermittelt. Verstärkt wird in jedem Fall der Effekt der Inhaltstoffe des Chymus durch einen pH-Abfall im Duodenum unter pH 4,5, der dann zu einem drastischen Anstieg der Bicarbonatund Volumensekretion beiträgt. Hinweise darauf, dass im postresorptiven Zustand, das heißt, nach dem Einströmen von Nährstoffen in die Zirkulation auch eine Rückkopplungswirkung auf die Pankreassekretion erfolgt, gibt es vor allem aus tierexperimentellen Studien.

7.5 Das Gallensekret dient primär der Solubilisierung der Lipide des Chymus Für die Fettresorption im Dünndarm ist neben dem Pankreassekret vor allem die Gallensekretion wichtig. Die Galle ist ein Sekret der Leber und wird konstant gebildet. Sie wird zwischen den Mahlzeiten in der Gallenblase gesammelt. Die von den Hepatocyten über die kanalikuläre Membran sezernierten Bestandteile (Abschnitt 9.5.3.1) werden über den zentralen Lebergallengang der birnenförmigen 8–12 cm langen und etwa 4–5 cm breiten Gallenblase zugeführt und hier konzentriert. Lebergalle und Blasengalle unterscheiden sich daher in ihrer Zusammensetzung (Abschnitt 9.5.3). In der Verdauungsphase kann die Lebergalle über den Ductus hepaticus und den Ductus choledochus unmittelbar in das Duodenum abfließen. Freigesetztes Sekretin fördert die Gallensekretion, ebenso wie Gallensäuren, die durch die Rückresorption aus dem Ileum wieder zur Leber gelangen. Durch Aktivierung des Nervus vagus kommt es über eine Förderung der Leberdurchblutung ebenfalls zur Stimulation der Gallensekretion. Die Blasengalle wird dagegen vor allem durch Kontraktionsreize und Öffnung des Sphinkters unter Wirkung von CCK in das Duodenum entleert. Die Ausscheidung der Gallensäuren und anderer Substrate wie Bilirubin und organische Anionen erzeugen einen osmotischen Gradienten, der die Abgabe von Wasser aus dem Hepatocyten in die Gallenkapillaren nach sich zieht. Dies wird als die gallensäureabhängige Sekretion bezeichnet. Die gallensäureunabhängige Sekretion wird dagegen vorwiegend durch die Wasserbewegungen entlang des Na+-Gradienten bestimmt. Das täglich produzierte Volumen an Gallensekret beträgt etwa 600–1000 ml, wobei circa 550 ml aus der hepatocytären Sekretion und der Rest durch eine zusätzliche Flüssigkeitsabgabe in die Ausführungsgänge zustande kommt. Bleibt der Schließmuskel direkt vor der Vereinigung von Gallen- und Pankreasgang (Sphinkter Oddi) während Phasen ohne Nahrungsaufnahme geschlossen, konzentriert die Gallenblase das hier gespeicherte Sekret beträchtlich. Allerdings können nur circa 50–70 ml Sekret in der Blase gespeichert werden. Für die Konzentrierung der Gallenflüssigkeit dient die aktive Natriumresorption durch die Epithelzellen der Wand der Gallenblase als treibende Kraft. Ihr folgt eine isotonische, das heißt dem osmotischen Gradienten folgende Wasserresorption. Durch die Elektrolyt- und Wasserresorption kann der Inhalt der Blase etwa 5- bis 10-fach konzentriert werden. Aufgrund der konstanten Gallensekretion durch die Leber kann auch bei Menschen nach operativer Entfernung der Gallenblase meist noch eine ausreichende Funktion bei der Digestion erreicht werden. Gallensäuren sind polare Abkömmlinge des Cholesterins (Abschnitt 9.5.3). Diese Verbindungen sind hocheffektive Detergentien, da sie neben polaren auch unpolare Regionen besitzen. Sie sind die Hauptbestandteile der Gallenflüssigkeit und machen die

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 329

Lipide der Nahrung löslich. Sie fördern die Hydrolyse der Lipide durch Lipasen und erleichtern ihre Resorption im Dünndarm. Gallensäuren stellen außerdem die Hauptabbauprodukte des Cholesterins dar. Die Solubilisierung und Stabilisierung des Cholesterins in der gemischten micellaren Lösung mit Gallensäuren verhindert dessen Auskristallisierung und damit die Bildung von Gallensteinen. Über die Gallenblase werden pro Tag etwa 2–4 g Gallensäuren in das Duodenum abgegeben und zu etwa 90 % im Ileum rückresorbiert, wobei der Pool etwa 6–10 mal pro Tag rezirkuliert (Abbildung 7.12). Analysiert man die Fraktion der Gallensäuren im Pool, findet man Gallensäuren mit unterschiedlicher Anzahl von Hydroxylgruppen sowie sulfatierte Formen. Nachdem die Gallensäuren ihre Funktion bei der Fettverdauung und -resorption erfüllt haben, werden sie im Ileum durch einen Na+-abhängigen Cotransporter (ISBAT: ileal sodium-dependent bile acid transporter) rückresorbiert. Dieses Transportsystem weist die höchste Transportkapazität (Vmax) für Trihydroxy-Gallensäuren, wie Cholsäure, auf und zeigt eine höhere Affinität (Km) für konjugierte Gallensäuren wie Taurocholsäure. Der Efflux der Gallensäuren über die baso-laterale Zellmembran erfolgt über Anionenaustauscher, die Triebkraft der Resorption liefert die Na+/K+-ATPase, die den Na+-Gradienten für die apikale Aufnahme erzeugt. Über die Portalvene gelangen die Leber

Gallenblase

de novo Synthese ca. 0,1 g/Tag

Sekretion 2-4g/Tag Micellenbildung im oberen Dünndarm

Blutseite

Ileum

0,6 bis 1g/Tag

Epithelzelle im Ileum K

Lumen

+

Na GS

Ausscheidung in Fäzes

Na +

+

GS

ISBAT

Anion

GS Gallensäure- Anion HO C=O R

HO

GS = Gallensäure

7.12

ISBAT: ileal sodium-dependent bile acid transporter

OH

Trihydroxy-coprostanat

Enterohepatischer Kreislauf der Gallensäuren und zelluläre Transportvorgänge der Gallensäureresorption im Ileum

330

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Substrate zurück in den Hepatocyten und stehen für eine erneute Sekretion zur Verfügung. Abbildung 7.12 fasst das Schicksal der Gallensäuren im enterohepatischen Kreislauf zusammen.

7.6 Die enzymatische Hydrolyse der Nährstoffpolymere im oberen Dünndarm hat eine luminale und eine membrangebundene Phase Die luminalen Prozesse der Digestion beginnen mit der Einstellung eines pH-Milieus im Chymus (pH 6,0 bis 7,0), das dem pH-Optimum der meisten pankreatischen Enzyme nahekommt. Hierzu dient das bicarbonatreiche Pankreassekret, aber auch – wie bereits erwähnt – die HCO3–-Sekretion durch das Duodenalepithel. Durch das gastrale und pankreatische Sekret wird das Chymusvolumen in der Digestionsphase auf etwa 2 Liter eingestellt. Die aufgenommene Nahrung erreicht somit das Duodenum bereits verdünnt. Im wässrigen Chymus liegen die Nahrungslipide meist noch in unterschiedlich großen Tröpfchen vor, wobei sie häufig von einer Phospholipidschicht umgeben sind. Aufgrund der Verdünnung und durch die komplex regulierte Magenentleerung weist der Chymus im Duodenum eine relativ konstante Zusammensetzung auf. Zwar beginnen alle Digestionsprozesse im Lumen des Duodenums, doch setzen sie sich bis ins Jejunum fort. Unter der Wirkung der Pankreasenzyme werden in der luminalen Phase zunächst die hochmolekularen Speicherkohlenhydrate und Proteine in kürzerkettige Oligomere zerlegt sowie die Triglyceride gespalten. Diese Prozesse verlaufen teilweise auch direkt am Epithel, weil Pankreasenzyme an das Darmepithel binden beziehungsweise adhärieren. Die membrangebundene Phase der Digestion wird jedoch vor allem durch eine Vielzahl von Enzymen katalysiert, die in der Epithelzelle synthetisiert und in der Bürstensaummembran der Zelle verankert werden. Ihr katalytisches Zentrum ist zum Darmlumen hin orientiert und die Enzyme zeigen eine ausgeprägte Spezifität für die meist kleineren, das heißt niedermolekularen Substrate.

7.6.1 Die Digestion und Resorption von Kohlenhydraten erfolgt mit rasanter Geschwindigkeit Zwar sind Kohlenhydratpolymere durch die Speichelamylase bereits teilweise hydrolysiert worden, doch findet ihre quantitativ bedeutendste Aufspaltung erst im Duodenum und Jejunum statt. Die Endprodukte stellen immer noch kleinere Oligomere dar, die erst in der membrangebundenen Phase der Digestion zu Monomeren gespalten werden. Die alimentär zugeführten Kohlenhydrate können entsprechend der Natur der glykosidischen Bindungen zwischen ihren Monomeren in zwei Gruppen eingeteilt werden: Kohlenhydrate, die verfügbare, das heißt, resorbierbare Monomere im Dünndarm liefern, sind vorwiegend solche, die α-1,2-, α-1,4-, α-1,6- oder β-1,4-glykosidische Bindungen aufweisen. Oligo- und Polysaccharide vom Typ der Raffinose, der Cellulose, der Hemicellulosen und der Pektine ergeben dagegen keine resorbierbaren Monomere. Gegenwärtig werden viele Kohlenhydrate mit sogenannten präbiotischen Eigenschaften in Lebensmittel eingeführt, die gezielt zur Fermentation im Dickdarm führen, und die

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 331

nur in sehr geringem Umfang im Dünndarm durch körpereigene Enzyme gespalten werden können. Zu diesen sogenannten präbiotischen Kohlenhydratpolymeren zählen vor allem Inulin, Oligofructosen, Oligogalactosen und Neozucker. Bei der Hydrolyse der primären Speicherkohlenhydrate der Lebensmittel, wie den strukturgleichen Verbindungen Glykogen und Amylopektin, sowie der unverzweigten Amylose, spaltet die α-Amylase des Pankreas nur α-1,4-glykosidische Bindungen. Der Zugang des Enzyms zu Stärkesubstraten wird durch deren physikalisch-chemische Vorbehandlung signifikant beeinflusst. Zwar wird auch α-Amylase in so großen Mengen, respektive Aktivitäten, aus dem Pankreas abgegeben, dass ein sehr großer Überschuss an Spaltungskapazität da ist, doch kann bei rohen, das heißt nicht mit Wasser behandelten und gekochten Stärken der Angriff des Enzyms auf die zu spaltenden Bindungen erschwert sein. Gleiches gilt natürlich auch für wenig zerkleinerte Getreideoder Hülsenfrüchtezubereitungen. Aufgrund der dadurch zeitlich verzögerten Spaltung der Stärke zeigen solche Produkte häufig einen niedrigeren glykämischen Index und eine erhöhte colorectale (im Dickdarm und Rectum stattfindende) Fermentation. Bei hitzebehandelten und löslichen Stärken erfolgt die Hydrolyse dagegen extrem schnell. Mittlerweile werden Stärken technisch so modifiziert (zum Beispiel retrogradiert), dass ihre Spaltung ebenfalls nur noch sehr langsam erfolgt und sie damit kaum mehr als Quelle von Glucose im Dünndarm dienen können. Ziel des Einsatzes solcher modifizierter Stärken ist, – neben der Nutzung ihrer besonderen technologischen Eigenschaften in der Lebensmittelproduktion – fermentierbare „Präbiotica“ oder auch nicht-fermentierbare Ballaststoffe zu erzeugen. Als Endoenzym greift die α-Amylase an vielen Stellen im Inneren der Stärkemoleküle gleichzeitig an, wobei aufgrund ihrer Spezifität für die α-1,4-glykosidischen Bindungen aus dem Amylopektin und Glykogen sogenannte α-Grenzdextrine freigesetzt werden. Die katalytische Aktivität der Amylase sinkt umso stärker, je näher sie sich den Verzweigungsstellen mit α-1,6-glykosidischen Bindungen nähert. Als Produkte der Hydrolyse entstehen Maltose und Maltotriose sowie Grenzdextrine, die durchschnittlich aus etwa 6 Glucoseeinheiten bestehen. Die intermediär auftretenden Maltooligosaccharide (Maltodextrine) mit unterschiedlicher Kettenlänge sind experimentell schwer zu erfassen, da sie sehr schnell zu den kurzkettigen Oligosacchariden gespalten werden. Obwohl die Hydrolyse der hochpolymeren Kohlenhydrate überwiegend im Lumen des oberen Dünndarms erfolgt, kann die α-Amylase offenbar auch an die Glykocalix der Membran der Epithelzellen binden und hier die Hydrolyse fortsetzen. Dadurch werden die Produkte der Amylasereaktion unmittelbar den an der Membran gebundenen Enzymen der zweiten Phase der Digestion zugeführt. Die membrangebundene Phase besteht vorwiegend in der Spaltung der Disaccharide, der kurzkettigen Oligosacharide und der α-Grenzdextrine (Abbildung 7.13). Während α-Grenzdextrine als Produkte der Amylasewirkung betrachtet werden können, stammen die Disaccharide vorwiegend direkt aus der Nahrung. Nur im Falle von Maltose, deren alimentäre Zufuhr recht gering ist, entspringt die größte Menge dem Abbau der Stärken. Saccharose, Maltose und Lactose sowie die α-Grenzdextrine werden von verschiedenen Oberflächenhydrolasen der Epithelzelle umgesetzt. Die verschiedenen Enzyme und einige ihrer Eigenschaften zeigt Tabelle 7.1. Die Glucosidasen und Galactosidasen an der Bürstensaummembran von Epithelzellen lassen sich proteinchemisch und nach ihrer Spaltungsspezifität unterscheiden. Sie sind Proteine unterschiedlicher molarer Masse, die meist über einen helikalen Membranabschnitt aus hydrophoben Aminosäuren in der Bürstensaummembran verankert sind. Ihr kurzer aminoterminaler Bereich liegt im Cytosol, während über 90 % der Pro-

332

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Tabelle 7.1: Kohlenhydratspaltende Enzyme der intestinalen Bürstensaummembran Km(mmol × L–1)

Enzym

Spezifität

Substrate

Produkte

Maltase

α-1,4 Bindung

Maltose Maltooligosaccharide

Glucose

1–4

Saccharase-Isomaltase-Komplex Saccharase

α-1,2 Bindung Saccharose (α-1,4 Bindung)*

Glucose Fructose

ca. 20

Isomaltase (Grenzdextrinase)

α-1,6 Bindung α-Grenzdextrine (α-1,4 Bindung)*

Glucose

5 – 11

Grenzdextrinase

α-1,6 Bindung

größere α-Grenzdextrine

α-Grenzdextrine

0,5 – 1,5

Lactase

β-1,4 Bindung

Lactose (β-Glucoside)* (β -Galactoside)*

Glucose Galactose

ca. 18

Trehalase

α-1,1 Bindung

Trehalose

Glucose

ca. 5

* weniger bevorzugte Bindungsformen und Substrate

teinmasse extrazellulär lokalisiert ist. Alle Enzyme sind hochgradig glykosyliert und bilden die Hauptkomponente der Glykocalix, einer bürstenartigen Struktur auf der Außenfläche der Zellmembran. Besonders an der Membrangrenzfläche weist die Peptidkette der Enzyme eine dichte Glykosylierung auf, die vermutlich die Enzyme vor einer proteolytischen Abspaltung aus der Membran durch die Pankreasproteasen schützt. Im Falle des Saccharase-Isomaltase-Komplexes findet jedoch eine solche Proteolyse durch Pankreasenzyme statt. Dieser Enzymkomplex stellt ein Heterodimer aus zwei funktionellen Untereinheiten dar, der nach dem Erscheinen in der Bürstensaummembran durch Pankreasproteasen (vor allem Elastase) in die Monomere gespalten wird. Bei einer Reihe von Menschen sind genetische Defekte bekannt geworden, die mit dem teilweisen oder vollständigen Verlust von Glucosidasen und Galactosidasen einhergehen. Aufgrund von Mutationen kommt es unter anderem zu einer fehlerhaften posttranslationalen Prozessierung, zur Fehlleitung in andere Zellkompartimente oder zur Synthese inaktiver Membranenzyme. In allen Fällen können die Di- und Oligosaccharide nicht oder nur unzureichend hydrolysiert werden und führen zu osmotisch bedingten Diarrhöen. Die Ursache individueller Lactoseintoleranz bei Erwachsenen liegt ebenfalls häufig in einer fehlerhaften intrazellulären Prozessierung des Lactaseproteins. Die nach Entwöhnung des Säuglings oder Kleinkindes in vielen Populationen zu beobachtende verminderte Expression des Lactasegens stellt ein interessantes nutritivevolutionäres Phänomen dar. Aufgrund eines möglichen Selektionsvorteils durch alimentäre Lactosezufuhr und Milchaufnahme findet sich in Bevölkerungen der nördlichen Hemisphäre konstitutiv exprimiert eine höhere Lactaseaktivität. Dennoch ist die katalytische Aktivität der Lactase im Vergleich zur Aktivität der anderen Glucosidasen am Epithel sehr viel niedriger. Alle Enzyme der membrangebundenen Oligosaccharidspaltung zeigen eine schnelle Anpassung ihrer Aktivität an diätetische Maßnahmen, wobei die Enzyme generell auch eine sehr kurze Lebenszeit aufweisen.

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 333

Amylose Amylopektin Glykogen -AMYLASE

membrangebundene Di- und Oligosaccharid-Hydrolasen

-Grenzdextrine Malto-Oligosaccharide Maltose

Glucose

Glucose

Energiestoffwechsel

Glut2

Saccharose Lactose Glucose Galactose Fructose

+

K

Glucose

+

Na

Na +

SGLT1 Na +

Glucose Galactose

Glut2 Glucose Galactose

Glut2

Fructose Glut5 Fructose

Glut2

Fructose

Portalvene 7.13

Membrangebundene Digestionsvorgänge der Kohlenhydrate und Transportvorgänge für Aufnahme und Abgabe von Monosacchariden in intestinalen Epithelzellen SGLT 1 = sodium dependent glucose transporter, Glut 2 und Glut 5 = Isoformen der GlutFamilie der Glucosetransporter

Abschließend sei erwähnt, dass spezifische, hochaffine und kompetitiv an die Saccharase bindende Inhibitoren, zum Beispiel Acarbose, als orale Antidiabetika eingesetzt werden, da sie die Freisetzung der Glucose behindern, und so deren Resorption stark mindern. Aus den Digestionsprozessen an der Zellmembran gehen die Monosaccharide Glucose, Galactose und Fructose hervor, die als Monomere den quantitativ wichtigsten Teil der zu resorbierenden Kohlenhydrate ausmachen. Die Resorptionsprozesse für die Monosaccharide zeigt Abbildung 7.13. Der durch den SGLT1-Transporter (Abschnitt 1.1.2.10) vermittelte elektrogene Na+-abhängige Influx von Glucose und Galactose stellt einen wichtigen Vorgang dar, an den osmotisch gekoppelt große Mengen an Wasser resorbiert werden können. Allein durch die Aufnahme der Glucose aus den alimentär zugeführten Kohlenhydraten können pro Tag etwa 5 Liter Wasser resorbiert werden. Entsprechend bedeutsam ist das Transportsystem auch für die orale Rehydrierung bei Diarrhöen, bei denen Elektrolyt-Glucose-Gemische verabreicht werden, um über SGLT1 osmotisch wirksame Substanzen und in der Folge Wasser zu resorbieren. Bei Fehlfunktionen des Transporters, zum Beispiel bei der hereditären Glucose-GalactoseMalabsorption, bei der Mutationen im SGLT1-Gen vorliegen, zeigen die Patienten nach Zufuhr von Kohlenhydraten ausgeprägte Diarrhöen.

334

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Im Gegensatz zu Glucose und Galactose, wird die Fructose über den GLUT 5-Transporter aufgenommen. Dabei handelt es sich um eine erleichterte Diffusion, die nicht zu einem Bergauf-Transport wie im Falle von Glucose und Galactose führt. Wenngleich Fructose und Galactose in geringem Umfang in der Epithelzelle in Glucose überführt werden und ein kleinerer Teil der Glucose auch metabolisch verwertet wird, gelangen die Monosaccharide überwiegend intakt in die Blutbahn. Der Efflux über die baso-laterale Membran erfolgt entlang des Konzentrationsgradienten durch den GLUT 2Transporter, der keine Monosaccharidspezifität zeigt. In Phasen zwischen der Nahrungsaufnahme kann über das GLUT 2-Protein auch Glucose entlang des nun umgekehrten Konzentrationsgradienten (niedriger zellulärer Glucosespiegel) aus dem Blut in die Zelle aufgenommen werden, um dort als energielieferndes Substrat zu dienen. Die Darmepithelzellen besitzen auch die Fähigkeit zur Bildung geringer Mengen an Glykogen. Erst in letzter Zeit zeigte sich, dass die Monosaccharidtransporter in der Epithelzelle einer diätetischen Adaptation und der Regulation durch eine Reihe von gastrointestinalen Hormonen unterliegen.

7.6.2 Im menschlichen Dünndarm existiert während der Fettverdauung ein Zwei-Phasensystem Betrachten wir zunächst die enzymatischen Prozesse bei der Aufspaltung der Lipide, die zur Bildung resorbierbarer Abbauprodukte führen. Hauptkomponenten der mit tierischen und pflanzlichen Lebensmitteln aufgenommenen Lipide sind die als Fetttröpfchen der Speicherlipide zugeführten Triglyceride. Darüber hinaus werden mit den Zellmembranen Phospholipide, Sterole, Sphingo- und Glykolipide sowie andere Oberflächenlipide, Terpene und freie Fettsäuren zugeführt. Stets mit der Lipidphase assoziiert, finden sich auch die fettlöslichen Vitamine sowie eine große Zahl hydrophober Fremdstoffe. Die Lipide des Chymus unterliegen im Darm einem sehr schnellen Umbau und einer Umverteilung der Komponenten zwischen Wasser- und Öl- beziehungsweise Gallensäurenphase. Die enorme Kapazität des menschlichen Dünndarms zur Hydrolyse der Triglyceride wird daran erkennbar, dass im Duodenalinhalt für die Lipasen eine Spaltungsrate von etwa 70 mg × ml–1 × min–1 gemessen werden kann. Auf das Volumen von circa 2 Liter Darminhalt bezogen, ergibt sich eine Kapazität von etwa 140 g Fett, das pro Minute hydrolysierbar ist. Bei einer durchschnittlichen Zufuhr an Nahrungsfett errechnet sich ein Überschuss vom 500- bis 1000-fachen der notwendigen Hydrolysekapazität. Konsequenterweise werden beim Gesunden die Nahrungslipide zu 90–95 % im Dünndarm gespalten und resorbiert. Nur etwa 5–10 % gelangen – offenbar weil für Lipasen nicht zugänglich – in den Dickdarm, wo ihre weitere Degradierung erfolgen kann. Die Lipase (obwohl mehrere Isoformen beschrieben sind, wird nachfolgend der Begriff Lipase als einheitlicher Enzymbegriff verwendet) stellt etwa 3 % des Proteinanteils des Pankreassekretes dar. Sie zeigt gegenüber Triglyceriden mit kurz- oder mittelkettigen Fettsäuren eine deutlich höhere Aktivität, als gegenüber solchen mit langkettigen Fettsäureresten. Sie ist nach Sekretion in Gegenwart hoher Gallensäurekonzentration zunächst inaktiv und benötigt zur Aktivierung einen Protein-Cofaktor mit 96 Aminosäuren, die Colipase. Ohne die Colipase ist, wie aus der Röntgenstrukturanalyse der Lipase erkennbar wurde, das katalytische Zentrum des Enzyms deckelartig verschlossen, und erst nach Assoziation mit der Colipase kommt es durch eine Konformationsveränderung zur Freilegung des katalytischen Zentrums.

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 335

Für die Katalyse durch die Lipase müssen die Triglyceride als Substrate aggregiert sein, das heißt als Öl-Wasser-Emulsion vorliegen (Abbildung 7.14). Physiologischerweise vorkommende Konzentrationen von Gallensäuren (etwa 8 bis 10 mmol × L–1) führen dazu, dass deren kritische micellare Konzentration überschritten wird und die Gallensäuren die Lipase sofort von den aggregierten Substraten verdrängen. Erst in Anwesenheit der Colipase wird es der Lipase ermöglicht, wieder an ihre Substrate zu binden. Lipase, Colipase und Gallensäurenmicellen zeigen meist eine stöchiometrische Bindung von 1:1:1 und erst dieser Komplex kann an der Öl-Wassergrenzfläche verankert werden. Die katalytisch aktive Lipase wirkt auf die Esterbindungen der Triglyceride mit einer hohen Spezifität für die 1- und 3-(α)-Positionen unter Bildung von 1,2-Diacylglyceriden und danach von 2-(sn2)-Monoacylglyceriden. Die Spaltprodukte, freie Fettsäuren und sn2-Monoglyceride, werden letzlich als solche resorbiert (Abbildung 7.15). Die bevorzugte Bildung der 2-Monoglyceride und deren effizientere Resorption im Vergleich zu freien Fettsäuren ermöglicht es, dass Fettsäuren in sn-2 Position mit einem kinetischen Vorteil resorbiert werden. Darüber hinaus können sie nicht, wie freie Fettsäuren, durch Verseifung umgesetzt werden. Durch Umesterung von Triglyceriden können heute technisch mittels gezielter Positionierung in sn2 einzelne Fettsäuren spezifischer zur Resorption gebracht werden. Entscheidend für das weitere Schicksal der Hydrolyseprodukte ist die Überführung der wenig löslichen langkettigen Fettsäuren und Monoglyceride in eine stabile Lösung im wässrigen Darminhalt. Hierzu dienen die konjugierten Gallensäuren, aber auch Proteine. In den entstehenden gemischten Micellen orientieren sich Gallensäuren und hydrophile Kopfgruppen der Monoglyceride und Fettsäuren zur wässrigen Phase und hydrophobe Reste entsprechend zum Inneren der Micelle. Auch Cholesterin, durch Esterasen des Pankreas aus Cholesterinestern freigesetzt, sowie Phospholipide der Nahrung und aus dem Gallensekret stammende Phospholipide werden in die gemischten Micellen inkorporiert. Im menschlichen Dünndarm existiert bei der Fettverdauung also ein Zwei-Phasensystem aus einer instabilen Ölemulsion und einer stabileren wässrig-micellaren Phase. Die Micellen dienen vor allem als Transportvehikel, die die zur Resorption bestimmten Substrate durch die wässrige Phase des Darminhalts zur Membran der Epithelzellen gelangen lassen. Unmittelbar bei Kontakt mit der Membran der Epithelzelle dissoziieren die Micellen, so dass Monoacylglyceride, Fettsäuren und an-

Gallensäuren

Lipid-Tropfen

Co-Lipase

Lipase

Lipase Lipase Lipase

Lipase Lipase

Lipase

7.14

Lipase

Lipase

Lipase

Co-Lipase

Lipase Lipase Lipase

Lipase assoziiert mit Lipid-Tropfen

Co-Lipase

Co-Lipase

Lipase

Lipase

Co-Lipase

Gallensäuren überziehen den Lipid-Tropfen und verdrängen die Lipase

Lipase Co-Lipase

Lipase Co-Lipase

Lipase Co-Lipase

Die Co-Lipase verankert die Lipase an der Oberfläche der Gallensäuren

Intraluminale Triglyceridhydrolyse durch den Lipase-Colipase-Komplex an gemischten Micellen

336

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

dere Komponenten resorbiert werden können, während die Gallensäuren extrazellulär verbleiben und erst im Ileum resorbiert werden. Entsprechend der Lipaseaktivität werden die Triglyceridkomponenten zu etwa 70 % in Form der 2-Monoacylglyceride aufgenommen. Eine enzymatische Umpositionierung der Fettsäuren am Glycerinrückgrat ist am Darmepithel experimentell auch beobachtet worden, spielt aber unter quantitativen Aspekten keine Rolle. Die Resorptionsprozesse für fettlösliche Komponenten der Nahrung sind bei weitem nicht so gut verstanden, wie die für wasserlösliche Verbindungen. Zunächst muss davon ausgegangen werden, dass Fettsäuren, Monoacylglyceride, Cholesterin, Phospholipide und fettlösliche Vitamine aufgrund ihrer intrinsischen Hydrophobizität sehr leicht in die Zellmembran der Epithelzelle eindringen können. Für sie stellt letztlich die Diffusionsstrecke aus dem Darmlumen zur Zellmembran eine sehr viel stärkere Barriere dar, als die biologische Membran selbst. Der Membrandurchtritt der meisten Lipidkomponenten erfolgt nach experimentellen Befunden passiv, andererseits durch integrale Carrierproteine. So werden spezifische Transportproteine für freie Fettsäuren (FATP4: fatty acid transport protein 4) ebenso wie für Cholesterol vorgefunden. Als entscheidender Schritt gilt jedoch der Austritt fettlöslicher Komponenten an der Membraninnenseite in das Cytosol. Hierfür hält die Zelle eine ganze Reihe spezifischer cytosolischer Proteine bereit, die einzelne Komponenten binden können und so deren Übertritt ins Cytosol erst möglich machen. Neben mehreren fettsäurebindenden Proteinen (FSBP) lassen sich auch solche für fettlösliche Vitamine und Carotinoide nachweisen. Die zellulären Transportproteine dienen unter anderem als Vehikel zur Anlieferung der Fettsäuren an die Enzyme, die deren Aktivierung und Reveresterung zu Triglyceriden ermöglichen. Die Triglyceridsynthese in der Darmepithelzelle (Abbildung 7.15) läuft ähnlich wie in der Leber oder im Adipocyten ab. Das Glycerinrückgrat stellen jedoch überwiegend 2-Monoacylglyceride bereit, auf die sukzessive aktivierte Fettsäuren (Acyl-CoA) übertragen werden, wobei intermediär ein 1,2-Diacylglycerid entsteht. Resorbiertes freies Glycerin wird, wie in anderen Geweben, zunächst ATP-abhängig zu Glycero-3-phosphat phosphoryliert. Das Glycero-3-phosphat wird schrittweise durch Acyltransferase mit aktivierten Fettsäuren acyliert. Das entstehende 1,2-Diacyl-glycerol-3-phosphat (Phosphatidsäure) wird durch die Phosphatidphosphatase dephosphoryliert und es entsteht 1,2-Diacylglycerin. Dieses wird durch die 1,2 DiacylglceridAcyl-CoA-Acyltransferase zum Triglycerid umgesetzt. Entscheidend für die Bereitstellung der CoA-Thioester der aufgenommenen freien Fettsäuren ist die Thiokinase, die in der Mucosa mit hoher Aktivität gefunden wird. Diese Aktivierung der Fettsäuren wie auch die Resynthese der Triglyceride finden am endoplasmatischen Reticulum der Epithelzelle statt. Die Aktivität der Thiokinase und der Acyltransferasen ist am höchsten in Epithelzellen der Zottenspitze, die auch die höchste Resorptionsrate aufweisen. Bemerkenswert ist, dass die Thiokinase eine ausgeprägte Affinität zu langkettigen Fettsäuren aufweist, das heißt zu Fettsäuren, deren Kettenlänge mehr als 14 C-Atome beträgt. Kurz- oder mittelkettige Fettsäuren werden nur in geringem Umfang umgesetzt. Für das weitere Schicksal der resorbierten Lipidkomponenten ist deren Inkorporierung in Chylomikronen entscheidend (Abbildung 7.16). Obwohl Proteine nur etwa 1 % der Chylomikronenmasse ausmachen, sind sie von fundamentaler Bedeutung für den Chylomikronentransport. Die Epithelzelle besitzt die Fähigkeit zur Synthese einer ganzen Reihe von Apolipoproteinen (ApoA-, ApoB-, ApoC- und ApoE-Klassen). Die Apolipoproteine haben zwei Funktionen: (1) Sie komplexieren die Lipide und (2) sie stellen die Liganden für spezifische Lipoproteinrezeptoren oder für Lipasen dar, die in

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 337

FS FS FS

LIPASE

Triglyceride mit langkettigen Fettsäuren

BP

FS

FS-BP

FS FS

ca .10%

LIPASE

FS

Blutgefäße

THIOKINASE

OH ISOMERASE

ATP CoA-SH

OH

AMP+PPi FS-SCoA

FS

FS

OH

OH FS

ca .70%

Acyl-TRANSFERASEN

CoA-SH

OH

FS FS

LIPASE

FS

FS OH OH OH

Triglyceride mit kurz- und mittelkettigen Fettsäuren

Lymphgefäße

ca .20% Apolipoproteine

FS

Lymphgefäße

FS FS

Lipase

Glycerin

FS

7.15

Blutgefäße

Intestinale Aufnahme der Abbauprodukte der Triglyceridhydrolyse und zelluläre Resynthese von Triglyceriden in Enterocyten. BP/FS-BP = intestinale Fettsäurebindungsproteine, FS = freie Fettsäuren

der Konversion der Lipoproteinpartikel eine große Rolle spielen. Das ApoB (B48) spielt für die Abgabe von Chylomikronen aus der Schleimhaut eine zentrale Rolle. Das große (240 kDa) Apolipoprotein B-48 bildet eine amphipathische Hülle um das Fettkügelchen, die äußere Schicht dieser Hülle ist hydrophil. Bei Patienten mit einem Synthesedefekt für ApoB können in der Resorptionsphase keine Chylomikronen gebildet werden. Beeindruckend ist die Geschwindigkeit, mit der resorbierte Fettsäuren in die Triglyceride der Chylomikronen eingebaut werden. Dies konnte anhand der Inkorporation radioaktiv markierter Fettsäuren verfolgt werden (Abbildung 7.16). Ihr Einbau in Triglyceride und die Assoziation mit Apolipoproteinen am rauhen endoplasmatischen Reticulum sowie der Transfer zum glatten ER dauert nur etwa 2 bis 5 Minuten. Der weitere Weg über den Golgi-Apparat sowie der Transport der Chylomikronenvesikel über Mikrotubuli zur baso-lateralen Membran benötigen nochmals etwa 5 bis 7 Minuten. Durch Exocytose gelangen die Chylomikronen nach Kontakt mit der Plasmamembran in die, den Epithelzellen anliegenden Lymphgefäße und von dort über den zentralen Sammelgang, den Ductus thoracicus, in die Zirkulation. Ähnlich den Fettsäuren können auch Phospholipide in der Epithelzelle sowohl über den α-Glycerophosphatweg als auch über direkte Veresterung von Fettsäuren mit dem

338

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

rauhes ER

Golgi-Apparat

Fettsäuren Veresterung Apolipoproteine

Kopplung

Sekretion der Chylomikronen

Transfer zu Golgi-Vakuolen

glattes ER

Mikrotubuli

ca .2-5min

Lymphgefäße

ca .10-12 min

7.16

Chylomikronensynthese in intestinalen Epithelzellen und beteiligte Zellkompartimente

resorbierten Lysolecithin gebildet werden. Auch Phospholipide und andere Lipidkomponenten werden nach zellulärer Synthese oder Umbau in Chylomikronen inkorporiert. Die Resorptionsprozesse fettlöslicher Vitamine aus der Nahrung sind stets mit denen der anderen Lipide verbunden. Wenngleich eine Resorption von fettlöslichen Vitaminen und Carotinoiden auch ohne Nahrungsfett stattfinden kann, wird die Resorptionsrate fast aller fettlöslicher Verbindungen in Gegenwart von Nahrungsfett stark erhöht. Die verschiedenen Prozesse, die der Resportion der fettlöslichen Vitamine der A-, E-, D- und K-Gruppe zugrunde liegen, zeigt zusammenfassend Abbildung 7.17. Da beträchtliche Mengen an Phospholipiden, Cholesterin, Fettsäuren, Monoacylglyceriden und anderen Lipidkomponenten endogenen Ursprungs über Galle, Pankreassekret und Epithelzellen in das Darmlumen gelangen, finden sie sich anschließend ebenfalls in den Chylomikronen wieder, die das Epithel verlassen. Über den Resorptionsprozess und Transfer in das Gefäßsystem der diätetisch besonders interessanten Triglyceride mit kurz- oder mittelkettigen Fettsäuren (MCT) bestehen nach wie vor kontroverse Ansichten. Ihre Aufnahme ins Epithel erfordert nicht die Anwesenheit des Pankreas- und Gallensekrets. Darüber hinaus zeigen sie eine höhere Resorptionsgeschwindigkeit als Triglyceride mit langkettigen Fettsäuren, doch sie werden offenbar nicht exklusiv über das Blutgefäßsystem, sondern ebenfalls in größeren Mengen über das Lymphsystem in die Zirkulation gebracht. MCT werden durch die verschiedenen Lipasen gespalten, wobei die freigesetzten mittelkettigen Fettsäuren sehr schnell resorbiert werden. Eine intraepitheliale Lipase vermag auch einen Teil der intakt aufgenommenen MCT zu hydrolysieren, wobei eine Reveresterung der Fettsäuren kaum stattfindet, da die Thiokinase zu diesen Substraten nur eine sehr geringe Affinität besitzt. Auch viele hydrophobe Fremdstoffe gelangen auf den gleichen Wegen in das Epithel und von dort in die Zirkulation. Allerdings lässt die Anwesenheit des MDR (multi drug resistance)-1-Proteins, eines ATP-abhängigen Transporters der ABCFamilie, in der Bürstensaummembran von Epithelzellen vermuten, dass einige der hydrophoben Fremdstoffe über diese Exportpumpe wieder in das Darmlumen sezerniert

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 339

7.17

Aufnahme, metabolische Umwandlung und Abgabe von fettlöslichen Vitaminen in intestinalen Epithelzellen

werden (Abschnitt 1.1.2.9). Damit würde dieses Transportprotein einen Schutzmechanismus für die Aufnahme von lipophilen Fremdstoffen in den Körper darstellen. Die intestinale Resorption von Nahrungsfett als wichtigem Energielieferant rückt zunehmend auch in das Interesse der Adipositastherapie. So werden einerseits sogenannte Fett-Mimetika entwickelt, die sensorische wie technische Eigenschaften von Fett aufweisen, aber nicht hydrolysierbar und resorbierbar sind. Andererseits befindet sich auch eine Reihe von Lipaseinhibitoren in Entwicklung und klinischer Prüfung, die zur Hemmung der intestinalen Triglyceridspaltung eingesetzt werden können. Konsequenz dieser Inhibierung ist, dass das nicht-hydrolysierte Fett im Dünndarm verbleibt, in den Dickdarm gelangt und zu fettreichen Fäzes führt. Bei den Fettmimetika des Sucrose-Polyestertyps tritt im Darm eine Partition aller fettlöslichen Komponenten aus den gemischten Micellen in die Sucrose-Polyesterphase auf, so dass bei hoher Zufuhr auch eine Malabsorption fettlöslicher Vitamine beobachtet werden kann. Entsprechend werden die Produkte mit fettlöslichen Vitaminen angereichert, um einem Mangel vorzubeugen.

340

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

EXKURS 7.1 Die intestinale Resorption von Cholesterin wird durch spezifische Membranproteine begrenzt Bekanntlich stellt die Cholesterinaufnahme mit der Nahrung einen wesentlichen Faktor in der Genese der Hypercholesterinämie dar. Bemerkenswerterweise verändern sich jedoch die postprandialen Plasmaspiegel des Cholesterins bei unterschiedlich hoher Zufuhr von Cholesterin mit der Mahlzeit nur geringfügig. Die Frage, wie und in welchem Umfang das Cholesterin der Nahrung resorbiert werden kann, ist daher nicht nur für das Verständnis der Cholesterinhomöostase sondern ebenso auch für eine therapeutische Intervention von Interesse. Aufgrund seiner lipophilen Eigenschaften möchte man vermuten, dass das Cholesterin durch einfache Diffusion in das intestinale Epithel gelangt und somit seine Resorptionsrate nicht begrenzt ist. Dass jedoch spezifische Resorptionsprozesse involviert sein müssen, lassen die stark unterschiedlichen Resorptionsraten für strukturell ähnliche Sterine vermuten. So weist das dem Cholesterin verwandte pflanzliche Sitosterin nur eine Resorptionsrate von ca. 2 % auf, die des Cholesterins variiert dagegen je nach Individuum zwischen 30 und 60 %. Sitosterin unterscheidet sich vom Cholesterin nur durch eine in der Seitenkette angefügte Ethylgruppe (C2H5), durch die das Molekül noch lipophiler als Cholesterin wird. Daher wäre zu erwarten, dass die Resorptionsrate des Sitosterins noch höher ist als die des Cholesterins, Sitosterin wird jedoch beim Stoffwechselgesunden kaum resorbiert. Bei einer autosomal rezessiven Erkrankung, der Sitosterinämie, kann dagegen eine stark erhöhte Resorption von Sitosterin, aber auch von Cholesterin und verwandten Sterinen beobachtet werden. Die übermäßige Resorption des Cholesterins führt bei den Erkrankten zu Cholesterinablagerungen in der Haut (Xanthomen) sowie frühzeitiger Arteriosklerose und Herzerkrankungen. Sie weisen auch im Vergleich zu Stoffwechselgesunden bis zu 30-fach erhöhte Blutspiegel der pflanzlichen Sterine auf. Diese können nicht – wie beim Stoffwechselgesunden – über die Leber und Galle ausgeschieden werden und reichern sich daher im Organismus an. Die Suche nach den genetischen Ursachen der Sitosterinämie führte zur Entdeckung von Genen, die für sog. ABC-Transportproteine codieren. Die im Säugergenom in großer Zahl vorhandenen ABC-Transportergene codieren für integrale Plasmamembranproteine, die meist zwei ATP-Bindungsstellen, sogenannte WalkerMotive, besitzen. Sie vermitteln unter ATP-Verbrauch die Aufnahme oder Abgabe von Nährstoffen und Fremdstoffen durch die Zellmembran. Die auf dem menschlichen Chromosom 2p21 lokalisierten Gene des Sitosterinämie-Locus entsprechen zwei ABC-Transportproteinen, die vor allem in der Leber und im Dünndarmepithel exprimiert werden. Sie zeigen auf der Ebene der Aminosäurensequenz Homologien zu einer Reihe von ABC-Transportern, die auch in anderen Geweben als Cholesterin- oder Phospholipidtransportproteine identifiziert worden sind. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass die bei der Sitosterinämie identifizierten Gene für Proteine codieren, die für den transmembranären Transport von Cholesterin, Sitosterin und anderen Sterinen in Darm und Leber verantwortlich sind. Die bei Patienten nachgewiesenen Mutationen bedingen meist einen Funktionsverlust der Proteine, die in der Folge zu einer erhöhten Sterinresorption im Darm und einer verminderten biliären Sekretion führen. Die Transporter sind demnach unter physiologischen Bedingungen als Effluxtransporter zu sehen, die die Sterine nach ihrem passiven Eindringen durch die Zellmembran unter ATP-Verbrauch wieder aus der Zelle in den Extrazellulärraum transportieren. Im Darmepithel führt dies zu einer Begrenzung der Resorption des Cholesterins und pflanzlicher Sterine, in der Leber-

䊳

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 341 zelle können die Sterine damit offenbar effizient über die canaliculäre Membran in die Galle abgegeben werden. Ein kürzlich identifiziertes weiteres Protein in der apikalen Zellmembran scheint im Gegensatz zu den ABC-Transportern für die Cholesterinaufnahme in die Darmzelle verantwortlich zu sein (NPC1L1: Niemann-Pick C1 like Protein 1). Mit dem Wirkstoff Ezetemibe kann dieses Protein erfolgreich gehemmt werden und somit die Cholesterinaufnahme im Darm neuerdings auch pharmakologisch beeinflusst werden. Bemerkenswerterweise steht die Expresssion der Gene unter Kontrolle der alimentären Zufuhr an Cholesterin. Das heißt, bei einer längerfristig erhöhten Zufuhr an Nahrungscholesterin wird die Bildung der Proteine verstärkt und durch die erhöhte Effluxkapazität die intestinale Resorption des Cholesterins adaptativ reduziert. Die gemeinsame Nutzung des Transportweges durch verschiedene Sterine erklärt auch die Möglichkeit, durch eine hohe Zufuhr an pflanzlichen Sterinen (Sitosterin, Sigmasterol, Campesterol) die intestinale Cholesterinresorption zu reduzieren und damit den LDL-Cholesterinspiegel im Blut zu senken. Dies wird u.a. bei der als „Novel Food“ zugelassenen phytosterinesterhaltigen Margarine genutzt. Da die Cholesterinresorption bei verschiedenen Menschen eine sehr große Variabilität aufweist, ist zu vermuten, dass neben der Anpassung der Genexpression an die alimentäre Zufuhr an Sterinen auch eine genetische Heterogenität zu unterschiedlich hoher Effizienz der Transporter beitragen kann.

7.6.3 Die Digestion der Proteine liefert vielfältige Produkte Auch die Nahrungsproteine erreichen das Duodenum teilweise bereits in hydrolysierter Form. Umfang beziehungsweise Grad der Hydrolyse hängen dabei stark von der Zusammensetzung der aufgenommenen Nahrung und der Verweilzeit im Magen ab. Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass besonders in der Initialphase nach Nahrungsaufnahme der Mageninhalt wenig sauer ist und gleichzeitig die höchste fraktionelle Entleerungsrate beobachtet werden kann. Dies heißt, dass Proteine in erheblichem Umfang ohne Denaturierung durch Säureeinfluss oder Spaltung durch Pepsin in den Dünndarm gelangen können. Dies erklärt auch die Fähigkeit von Proteinen als Allergene zu wirken. Nach Hydrolyse zu Peptiden mit weniger als 8–10 Aminosäuren verlieren sie diese Fähigkeit. Es soll aber bereits hier darauf hingewiesen werden, dass eine Resorption von Oligopeptiden beziehungsweise Proteinen in geringem Umfang immer stattfindet. Die Resorption bestimmter Proteine und Peptide wird auch durch eingeschränkte Hydrolyse, zum Beispiel als Folge einer Glykosylierung oder der Anwesenheit vieler Prolinreste im Molekül, begünstigt. Generell werden die Nahrungsproteine, sowie die in erheblichen Mengen mit den Sekreten in den Magendarmtrakt gelangenden Proteine im Dünndarm zu 85–95 % hydrolysiert und resorbiert. Die in den Dickdarm übertretenden Aminosäuren und Peptide können von den Mikroorganismen utilisiert werden. Die Hydrolyse der aus dem Magen in das Duodenum übergetretenen Proteine oder Hydrolyseprodukte erfolgt zunächst ebenfalls luminal und zwar durch Trypsin, Chymotrypsin, Elastase sowie Carboxypeptidasen. Die Endopeptidaseaktivität von Trypsin und Chymotrypsin weist jeweils eine Spezifität gegenüber einzelnen flankierenden Aminosäuren in den Peptidbindungen auf. Trypsin spaltet selektiv Peptidbindungen auf der Carboxylseite von Lysin- oder Argininresten, während Chymotrypsin eine aromatische oder eine sperrige unpolare Seitenkette benötigt. Elastase greift spezifisch an Resten mit kleineren, ungeladenen Seitengruppen (Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin) im Innern der Proteine an. Trypsin, Chymotrypsin und Elastase gehören zu den

342

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Serinproteasen. Die Zink-Metalloproteasen Carboxypeptidase A und B hydrolysieren die carboxylendständigen Peptidbindungen in Polypeptidketten. Die Hydrolyse erfolgt am schnellsten, wenn der C-terminale Aminosäurerest eine aromatische oder eine große aliphatische Seitenkette besitzt. Lediglich Peptidbindungen mit Prolylresten zeigen eine recht hohe Stabilität. Dies beruht darauf, dass die Natur der Peptidbindung hier leicht verändert ist und der die Peptidbindung formende Stickstoff im Ringsystem des Prolins liegt. Entsprechend können prolinreiche Proteine und Oligopeptide im Lumen nur sehr langsam gespalten werden. Dies ist auch der Grund für die recht hohe Stabilität der Gliadinpeptide, deren Freisetzung mit der Genese der Zöliakie in Verbindung steht. Peptide mit Prolinresten werden erst durch mucosale, prolinspezifische Peptidasen, wie die Dipeptidylpeptidase IV gespalten. Endprodukte der luminalen Phase der Digestion der Proteine sind entsprechend der Spaltungsspezifitäten der Proteasen Polypeptide und Oligopeptide. Exopeptidasen, die im Pankreassekret und am Bürstensaum der Enterocyten vorkommen, haben dann die Aufgabe, Aminosäuren am C- oder N-terminalen Ende abzuspalten und auf diese Weise die Poly- beziehungsweise Oligopeptide schrittweise weiter abzubauen. Angaben über die Menge an freien Aminosäuren im Chymus schwanken zwischen 20 und 50 % des Gesamtstickstoffs. Die membrangebundene Phase der Digestion der Proteinabbauprodukte sowie die nachgeschalteten Resorptionsprozesse zeigt zusammenfassend Abbildung 7.18. Berücksichtigt man, dass der luminale Abbau eine unendlich große Anzahl unterschiedlicher Oligopeptide mit extrem unterschiedlichen physikochemischen Eigenschaften liefert, wird verständlich, dass eine große Zahl von Membranenzymen notwendig ist, um die Vielfalt der Strukturen zu hydrolysieren. Im Gegensatz zu den Kohlenhydrat spaltenden Hydrolasen finden wir daher an der Membran der Epithelzelle Proteine Pankreasproteasen

membrangebundene Peptidhydrolasen

Glutamin

Oligopeptide Energiestoffwechsel

Alanin, Citrullin Di- und Tripeptide PepT1

cytosolische Hydrolasen

?

Di- und Tripeptide Aminosäuren

Aminosäuren

Aminosäuren IMINO

B

β B X-AG b 0.+

Aminosäuren-Pool

ASC

L

Aminosäuren

y+

Portalvene 7.18

Membrangebundene Hydrolyse von Oligopeptiden und die an der Aufnahme und Abgabe von Di- und Tripeptiden sowie von freien Aminosäuren in Darmepithelzellen beteiligten Transportsysteme

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 343

mehr als 20 verschiedene Peptidhydrolasen. Generell lassen sie sich entsprechend ihrer Spaltungsspezifität in vier Klassen unterteilen. Die Endopeptidasen greifen komplexe Oligopeptide im Inneren der Struktur an und liefern kleinere Peptidbruchstücke. Eine große Zahl von Aminopeptidasen hydrolysiert die Peptidbindungen von Oligopeptiden vom aminoterminalen Ende her. Die Klasse der Aminopeptidasen kann hinsichtlich ihrer Spezifität für einzelne Aminosäurereste weiter unterschieden werden. Membranständige Carboxypeptidasen entfernen Aminosäurereste spezifisch vom carboxyterminalen Ende, darunter auch γ-verknüpfte Glutamatreste der Folat-Polyglutamate (Abschnitt 4.4.2.5). Dipeptidasen verwenden als Substrate dagegen Di- und Tripeptide, um daraus Aminosäuren freizusetzen. Aminopeptidase N, die sequentiell Aminosäuren aminoterminal von Oligopeptiden abspaltet, gehört zu den dominierenden Enzymen der Bürstensaummembran des intestinalen Epithels. Nahezu alle membrangebundenen Hydrolasen sind Dimere und enthalten Zink im katalytischen Zentrum, das die Polarisierung des Wassers ermöglicht, mit dem die Peptidbindung gelöst wird. Sie sind entweder über eine hydrophobe α-helikale membrandurchspannende Domäne oder über einen Glykosyl-Phosphatidylinositol-Anker (GPIAnker) in der Zellmembran insertiert. Die Expression der Bürstensaummembranenzyme unterliegt einer diätetischen Regulation. Sie dienen als Marker für die Differenzierung der Epithelzellen. Entsprechend finden sich die höchsten Enzymaktivitäten im oberen Bereich der Dünndarmzotten, im Kompartiment mit reifen Enterocyten. Bemerkenswert ist, dass auch im Cytosol der Epithelzelle eine beträchtliche Peptidasenaktivität nachgewiesen werden kann. Hierfür sind im wesentlichen vier Enzyme verantwortlich, die alle gemeinsam eine hohe Affinität gegenüber Di- und Tripeptiden aufweisen, aber kaum größere Peptide zu spalten vermögen. Die Notwendigkeit für diese cytosolischen Hydrolasen wurde erst mit dem Nachweis der Aufnahme intakter Di- und Tripeptide in die Epithelzelle erkannt, die als Substrate dieser Peptidasen dienen. Während für die Aufnahme der Monosaccharide in die Darmepithelzelle nur zwei Transportsysteme benötigt werden, sind die Membrantransportprozesse für die Aufnahme der Abbauprodukte der Proteine außerordentlich vielfältig. Erst in letzter Zeit wurde durch die Klonierung der Gene für die Carrierproteine der Aminosäuren und Peptide verständlich, wie auf molekularer Ebene der Membrandurchtritt der Proteinabbauprodukte ermöglicht wird.

7.6.4 Die Resorption von Aminosäuren erfolgt über eine Vielzahl von Transportsystemen Die überlicherweise mit Buchstaben, meist nach ihrer Erstbeschreibung bezeichneten Transportsysteme für Aminosäuren (Abbildung 7.18) lassen leider nur in wenigen Fällen ihre Spezifität erkennen. Darüber hinaus verbergen sich hinter den Systemen meist mehrere Carrierproteine mit ähnlicher Funktion. So können allein für bipolare αAminosäuren drei Systeme identifiziert werden (B, Bo+,bo+), von denen zwei auch zur Aufnahme von Cystin (Bo+, bo+) befähigt sind. Für die Aufnahme von Glutamat und As– zur Verfügung. Prolin und zum Teil auch Glycin werden partat steht das System XAG über einen Iminosäurentransporter und β-Alanin und Taurin über ein weiteres spezifisches System aufgenommen. Während bo+ als Na+-unabhängiges Carriersystem fungiert, nutzen alle anderen Transporter den zelleinwärts gerichteten Na+-Gradienten für die Aufnahme der Aminosäuren. Dabei spielen zusätzlich Chloridionen bei den Syste-

344

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

men für β-Aminosäuren und Prolin und Kaliumionen beim System X—AG eine wichtige Rolle. Der Transport der meisten Aminosäuren erfolgt elektrogen und ist über den Na+Gradienten und damit die Na+/K+-ATPase energetisiert, also sekundär aktiv. Erst mit der Klonierung der Gene für die Transportproteine wurde deutlich, dass deren Transportmechanismus weitaus komplizierter sein kann. Das rBAT-Protein (renal basic amino acid transporter) zum Beispiel stellt eine funktionelle Untereinheit eines Aminosäuretransporters für neutrale und basische Aminosäuren dar, über den der Aminosäureinflux in die Zelle im Austausch gegen zelluläre Aminosäuren vermittelt wird. So kann die Aufnahme von Alanin durch den Efflux von Lysin oder die Lysinaufnahme im Austausch gegen Alanin erfolgen. Gleichzeitig kann der dimere Transporter auch Cystein und Cystin transportieren. Die Analyse des rBAT-Gens hat zu der Erkenntnis geführt, dass dieses Protein für die Mehrzahl der Cystinurie-Fälle verantwortlich ist. Diese hereditäre Stoffwechselerkrankung beruht auf Mutationen im rBAT-Gen und führt zur verminderten oder ausbleibenden Resorption von basischen Aminosäuren und Cystin sowohl im Dünndarm als auch im Nierentubulus. Der Befund, dass bei Trägern des Gendefekts unter anderem auch die essentielle Aminosäure Lysin im Darm nicht oder nur unzureichend resorbiert werden kann, ohne dass ein Lysinmangel auftritt, ließ vermuten, dass ein weiteres Transportsystem für diese Aminosäure existiert. Tatsächlich konnte demonstriert werden, dass bei Cystinuriepatienten basische Aminosäuren dann resorbiert werden, wenn sie in Form von Dipeptiden dem Darmepithel angeboten werden. Dies lieferte einen überzeugenden Hinweis auf die Existenz eines Transportsystems für Di- und Tripeptide (PepT1). Das in reifen Enterocyten vorkommende PepT1-Protein vermittelt die Aufnahme aller möglichen Di- und Tripeptide aus dem Abbau der größeren Oligopeptide (Abbildung 7.18). Als Besonderheit nutzt der Transporter einen zelleinwärts gerichteten H+-Ionengradienten, um den elektrogenen und bergauf erfolgenden Peptidtransport zu ermöglichen. Der Protonengradient wird unter anderem vom apikal gelegenen Na+/H+-Austauscher erzeugt, der die in die Zelle durch PepT1 aufgenommenen Protonen im Austausch gegen Na+-Ionen zur Außenseite der Membran zurückführt. Damit stellt PepT1 ein tertiär aktives System dar, das über die Na+/K+-ATPase und den Na+/H+-Austauscher energetisiert wird. Die über den Transporter in die Zelle aufgenommenen kurzkettigen Peptide werden nachfolgend sehr schnell durch die cytosolischen Peptidhydrolasen gespalten, wenngleich Di- und Tripeptide auch intakt über einen baso-lateralen Transporter die Zelle verlassen können und ins Blut gelangen. Über die physiologische Bedeutung dieser transepithelialen Resorption von Peptiden mit Transport in das Gefäßsystem, kann gegenwärtig noch keine verlässliche Angabe gemacht werden. Auch über den Umfang der Resorption von Aminosäuren in Form von Peptiden im Vergleich zur Aufnahme freier Aminosäuren herrscht noch Unklarheit, die Angaben schwanken zwischen 20 und 80 %. Ganz ohne Zweifel bietet aber die Aufnahme in Form kurzkettiger Peptide in der klinischen enteralen Ernährung einen Vorteil, da die Aminosäuren in Peptidform schneller aufgenommen werden und die Hydrolysatlösungen einen geringeren osmotischen Wert besitzen. Aus diesem Grund haben sich Proteinhydrolysate mit hohem Anteil an Di- und Tripeptiden in der enteralen Ernährung, zum Beispiel bei Pankreasinsuffizienz gegenüber den sogenannten Elementardiäten mit Gemischen aus freien Aminosäuren, durchgesetzt. Die aus den Peptiden in der Darmepithelzelle freigesetzten Aminosäuren verlassen, ähnlich wie die in freier Form resorbierten Aminosäuren, die Zelle über eine ganze Reihe von spezifischen Transportern in der baso-lateralen Membran. Die Carriersysteme in der baso-lateralen Membran (Abbildung 7.18) können auch in vielen anderen

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 345

Zellmembranen nachgewiesen werden. Sie vermitteln den Aminosäureefflux meist entlang eines Konzentrationsgradienten, also im Sinne einer erleichterten Diffusion. Damit spielen sie jedoch auch für die Versorgung der Zelle mit Aminosäuren aus dem Blut eine wichtige Rolle. In der Darmepithelzelle ist dies in den Phasen zwischen den Mahlzeiten von besonderer Bedeutung, da Enterocyten im Interorganstoffwechsel des Glutamins als NettoVerbraucher fungieren. Zirkulierendes Glutamin wird im Darm in großen Mengen aus dem arteriellen Blut extrahiert und metabolisiert. Über die Glutaminasereaktion wird Glutamat in Transaminierungsreaktionen eingeführt und NH3 aus der Zelle abgegeben. Zwar werden Alanin und Citrullin aus der Epithelzelle ins Blut entlassen, doch wird das Glutamat vorwiegend zur Energiegewinnung nach Transaminierung zu α-Ketoglutarat genutzt. Die Bedeutung von Glutamin als wichtiges Energiesubstrat im Stoffwechsel des Enterocyten wird vor allem im Zusammenhang mit eingeschränkter funktioneller Integrität des Epithels bei kataboler Stoffwechsellage und eingeschränkter Verfügbarkeit von Glutamin klinisch intensiv erforscht. Es sei an dieser Stelle auch erwähnt, dass ein Metabolismus von Aminosäuren, vor allem Transaminierungen, während der Resorptionsprozesse auftritt, so dass die im Blut erscheinenden Mengen individueller Aminosäuren nicht absolut mit den resorbierten Mengen übereinstimmen.

7.6.5 Auch größere Oligopeptide und Proteine werden vom Darmepithel intakt aufgenommen Die Aufnahme von Oligopeptiden und Proteinen mit Molmassen von über 1 kDa ist unter nutritiven Gesichtspunkten vernachlässigbar. Dennoch sind diese Vorgänge für die Auslösung von allergenen Reaktionen oder auch für die Aufnahme von Toxinen relevant. Die Resorption intakter hochmolekularer Strukturen erfolgt vor allem durch spezialisierte Epithelzellen, die microfold-Zellen (M-Zellen), die in den sogenannten Peyerschen Plaques lokalisiert sind. Darüber hinaus können Proteine und Oligopeptide offenbar auch durch Enterocyten oder über die tight-junctions, die Zell-Zell-Verbindungen zwischen Epithelzellen, aufgenommen werden. In Einzelfällen erfolgt die Aufnahme von Oligopeptiden auch unter Beteiligung spezifischer Rezeptoren. Voraussetzung für solche Prozesse ist die Stabilität des Proteins oder Oligopeptids gegenüber Enzymen im Gastrointestinaltrakt. Besonders beim Säugling, dessen Darmepithel erst nach der Geburt strukturell und funktionell ausreift, sind die Aufnahmeprozesse zum Beispiel von Immunglobulinen (vor allem IgA) aus der Muttermilch von großer Bedeutung. Unverträglichkeiten und Allergien nach oraler Zufuhr von Nahrungsproteinen zeigen, dass die Aufnahme von Proteinen und Oligopeptiden mit allergenen Epitopen auch beim Erwachsenen stattfinden kann. Die Rolle der Prozessierung der Proteine im Magendarmtrakt ist bei der Vielzahl der möglichen Allergene sowie der individuellen Prädispositionen für eine allergene Reaktion nach alimentärer Zufuhr eines Proteins noch weitgehend ungeklärt. Ganz ohne Zweifel stellt der Intestinaltrakt das größte immunbiologische Organ dar. So finden sich lymphoide Zellen im gesamten Gastrointestinaltrakt insbesondere als diffuse Ansammlung von Lymphocyten und Plasmazellen im Schleimhautbindegewebe. Darüber hinaus liegen Lymphocyten auch intraepithelial, also zwischen den Epithelzellen vor. Dieses als GALT (Darm-assoziiertes lymphoides Gewebe, engl. gut associated lymphoid tissue) bezeichnete Gewebe ist von zentraler Bedeutung für die Aufnahme und Prozessierung von Antigenen und die Sekretion von Antikörpern.

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Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Antigen

M-Zelle sekretorisches IgA

R

Makrophagen

Epithel

Plasmazellen T-Lymphozyten

+ T-Lymphozyten B-Lymphozyten mesenteriale Lymphknoten

Ductus thoracicus

Antigen

B-Lymphozyten

R 7.19

Blut Poly-Immunglobulinrezeptor

Aufnahme von Antigenen durch microfold-Zellen (M-Zellen), nachgeschaltete Sensibilisierungsvorgänge von Lymphocyten im darmassoziierten lymphoiden Gewebe (GALT) und in den mesenterialen Lymphknoten sowie Einwanderung von Plasmazellen in das Schleimhautstroma

So werden unter anderem die – nach der Transcytose durch die M-Zellen aufgenommenen – antigenen Makromoleküle von Makrophagen internalisiert, prozessiert und zusammen mit MHC-II-Molekülen (Haupt-Histokompatibilitäts-Komplex; engl. major histocompatibility complex) den intraepithelialen T-Lymphocyten präsentiert (Abbildung 7.19). Diese aktivieren entsprechende B-Lymphocyten, die über die mesenterialen Lymphknoten die Blutzirkulation erreichen und in sekundären Lymphorganen wie der Milz weiter differenzieren. Im Darm treten die B-Lymphocyten schließlich wieder aus den Blutgefäßen aus und siedeln sich im Schleimhautbindegewebe an. Treffen sie dort auf das Antigen, das ursprünglich von den Makrophagen präsentiert wurde, so reifen sie zu IgA-produzierenden Plasmazellen. Die produzierten IgA-Moleküle werden nach Bindung an einen membranständigen Poly-Immunglobulinrezeptor in die Epithelzellen aufgenommen und über Transcytose auf die mukosale Oberfläche transportiert. Wärend des transzellulären Transports wird der Immunglobulinrezeptor abgespalten, wobei sein extrazellulärer Teil mit dem IgA-Molekül verbunden bleibt. Das sekretorische IgA dient im Darmlumen vor allem der Verminderung der Aufnahme bakterieller Toxine, Viren und Bakterien. Eine zweite wichtige Komponente des intestinalen Abwehrsystems beruht auf IgEvermittelten Prozessen. Hierbei kommt den intraepithelialen Mastzellen eine wichtige Rolle zu. Ihre Stimulation führt zur Freisetzung einer Reihe von Entzündungsmediatoren (Eikosanoide, Serotonin, Histamin), die der Eliminierung des Antigens und vor allem von Parasiten dienen sollen. Eine durch die Mediatoren ausgelöste Chloridsekretion des Epithels mit nachfolgender massiver Wassersekretion scheint darüber hinaus

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 347

dem Ausschwemmen der Fremdkörper zu dienen. Gleichzeitig wird das Motilitätsmuster der gastrointestinalen Muskulatur verändert, so dass durch Erbrechen und/oder Diarrhöe das Agens eliminiert werden kann. IgE-vermittelte Reaktionen sind jedoch auch für die Mehrzahl der echten Nahrungsmittelallergien verantwortlich.

EXKURS 7.2 Gastrointestinales Schicksal von DNA und RNA Mit fast jedem Nahrungsmittel werden unterschiedlich große Mengen von DNA und RNA sowie von Nucleotiden und Nucleosiden aufgenommen. So liefert eine gemischte Kost etwa 1 g DNA pro Tag, die sich aus pflanzlichen, tierischen und bakteriellen Quellen stammt. Die in den Lebensmitteln enthaltene DNA oder RNA ist, abhängig von der Prozessierung des jeweiligen Produktes durch physikalisch-chemische und enzymatische Prozesse, bereits unterschiedlich stark degradiert, kann aber auch noch intakte Gensequenzen enthalten. Die Frage inwieweit intakte, codierende DNA beziehungsweise größere DNA-Fragmente aus der Nahrung im Darm zur Resorption gelangen, hat im Zusammenhang mit der Bewertung der gesundheitlichen Unbedenklichkeit gentechnisch veränderter Lebensmittel einen wichtigen Stellenwert bekommen. Bemerkenswerterweise gibt es jedoch über das Schicksal der alimentär zugeführten DNA und RNA kaum wissenschaftliche Studien. Aufgrund der allgemeinen Erfahrung, dass die mit der Kost zugeführte Menge und Vielfalt an DNA und RNA vom menschlichen und tierischen Organismus ohne besondere Wirkung toleriert wird, erübrigte sich offenbar eine wissenschaftliche Bearbeitung des Themas. Erst im Zusammenhang mit der Sicherheitsbewertung transgener Produkte wurde die Frage nach dem Verbleib der DNA gestellt, wenngleich dies a priori kein besonderer Problembereich der Gentechnik ist. Nach Aufnahme in den Gastrointestinaltrakt werden die bereits durch die Lebensmittelbe- und verarbeitung unterschiedlich stark fragmentierten DNA- und RNA-Moleküle durch enzymatische Hydrolyse im oberen Dünndarm weiter gespalten. Die verantwortlichen Enzyme, Desoxyribonuclease und Ribonuclease (DNAase, RNAase) werden mit dem Pankreassekret nach Stimulation der Enzymsekretion in das Darmlumen ausgeschüttet. Im Sekret konnten bis zu vier Isoenzyme mit Ribonucleaseaktivität und sechs Isoenzyme mit Desoxyribonuclease-aktivität nachgewiesen werden. DNAasen sind Endonucleasen, die doppelsträngige DNA zu spalten vermögen. DNAase I, das bedeutendste Enzym im Pankreassekret, wird unter anderem auch im Serum – vor allem bei Entzündungen des Pankreas – und im menschlichen Urin gefunden. Auch die RNAase I kann als Marker bei Pankreaskarzinomen verstärkt im Blut nachgewiesen werden. RNAasen spalten bevorzugt langkettige Polynucleotide, gefolgt von Oligonucleotiden und zeigen eine gewisse Spaltungspräferenz für Phosphodiesterbindungen der Pyrimidinbasen am 3⬘-Ende und der Purinbasen am 5⬘-Ende der RNA-Kette. Da beträchtliche Aktivitäten der DNAasen und RNAasen im Pankreassekret vorkommen, kann davon ausgegangen werde, dass alle DNA und RNA, die mit der Nahrung, aber auch mit den Sekreten in den oberen Dünndarm gelangen, sehr schnell zu ihren Monomeren, den Pyrimidinnucleosiden und Purinnucleosiden abgebaut werden. Die mit der Nahrung ebenfalls aufgenommenen Nucleosidphosphate (Nucleotide) werden durch verschiedene Phosphatasen an der Bürstensaummembran der Epithelzellen unter Abspaltung des Phosphosäurerestes in die Nucleoside überführt. Das heißt, die zentralen Endprodukte des luminalen und des membrangebundenen Abbaus von DNA und RNA sowie der Nucleotide sind die diversen Nucleoside. Für die Aufnahme dieser hydrophilen Moleküle in die Zelle bedarf es spezieller Transportproteine. Da die

䊳

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Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Nucleoside im Intermediärstoffwechsel als Bausteine für die Synthese neuer DNA und RNA sowie von Nucleotiden dienen, besitzen praktisch alle Zellen Nucleosidtransporter in den Zellmembranen. Für die Aufnahme der Nucleoside in die Darmepithelzellen stehen zwei Na+abhängige Systeme zur Verfügung. Sie koppeln die Aufnahme der Nucleoside an den Kotransport von Na+-Ionen, die entlang des zelleinwärtsgerichteten Na+-Gradienten damit die Aufnahme der Nucleoside in den Enterozyten gegen einen Konzentrationsgradienten ermöglichen. Diese beiden Na+-abhängigen, elektrogenen Systeme werden daher als CNT-Gruppe (concentrative nucleoside transporters) bezeichnet. Das System CNT1 transportiert Nucleoside mit Pyrimidinbasen, CNT2 diejenigen mit Purinbasen. Der Efflux der Nucleoside aus der Darmepithelzelle in das Blut erfolgt durch äquilibrierende Nucleosidtransporter (ENT’s). Sie wirken als Uniporter, sind Na+-unabhängig und können – abhängig vom jeweiligen Substratgradienten – die Nucleoside in beide Richtungen durch die Membran transportieren. Auch die verschiedenen Transporter der ENT-Familie lassen eine gewisse Spezifität für Pyrimidin- oder Purinbasen erkennen. In anderen Körperzellen sind weitere Proteine der CNT- und ENT-Familien nachgewiesen worden, die unterschiedliche, zum Teil aber auch überlappende Spezifitäten für die verschiedenen Nucleosidklassen besitzen. Die Gene dieser Membranproteine für den Nucleosidtransport sind in den letzten Jahren kloniert worden. Sie alle codieren für Proteine mit etwa 650 Aminosäuren, die vermutlich mit 13 Transmembrandomänen in die Zellmembran integriert sind. Wichtig sind die ENT- und CNT-Proteine auch für die Aufnahme von Pharmaka, vor allem von zytostatisch und antiviral wirkenden Abkömmlingen der Nucleoside, die mittels der Transportproteine gezielt in die entsprechenden Zellen eingeschleust werden können. Kommen wir zurück zu der Frage, ob DNA oder RNA aus der Nahrung in intakter Form auch in den menschlichen Körper gelangen kann. Wie beschrieben, werden die Oligomere im Darmlumen hydrolysiert, gefolgt von der Resorption der Monomere. Durch PCR-Techniken stehen heute Werkzeuge zur Verfügung, mit dem das Schicksal einer bekannten DNA-Sequenz nach oraler Aufnahme verfolgt werden kann. Mittels spezifischer Primer kann die Amplifizierung einer bekannten DNASequenz nach Gewinnung von Darminhalt oder auch von Körperzellen vorgenommen werden. Voraussetzung ist, dass die Sequenz nicht im Säugergenom vorkommt und somit ein spezifischer Nachweis der in diesem Falle körperfremden DNA möglich ist. Solche Studien sind in letzter Zeit an Mäusen, aber auch Nutztieren wie Rind und Huhn durchgeführt worden. Dazu wurde zum Beispiel die DNA des Bakteriophagen M13 oder die klonierte DNA des grün-fluoreszierenden Proteins (green fluorescent protein: GFP) an Mäuse verfüttert. Zur großen Überraschung konnte die jeweilige Sequenz beziehungsweise ihre unterschiedlich großen Fragmente im Darminhalt sehr lange nachgewiesen werden. Noch erstaunlicher war der Nachweis im Darmgewebe, in peripheren weißen Blutkörperchen, in der Leber und Milz, ja sogar in der Plazenta und in neugeborenen Mäusen. Auch nach Fütterung von Sojablättern an Mäuse konnte DNA beziehungsweise größere Fragmente einer sojaspezifischen DNA in den gleichen Geweben und Zellen bestimmt werden. Auch bei Rindern gelang nach Verfütterung von Bt-Mais (eines transgenen Mais mit dem Bacillus thuringiensis Toxin) der Nachweis von Chloroplasten-DNA in Lymphocyten. Größere DNA-Fragmente des cryIa-Gens (der im Bt-Mais zur Expression gebrachten Sequenz) ließen sich jedoch in peripheren Körperzellen der Tiere nicht amplifizieren. Aus diesen Modellstudien wird deutlich, dass alimentär zugeführte DNA im Gastrointestinaltrakt durchaus eine beträchtliche Resistenz besitzt, insbesondere, wenn sie in rohem pflanzlichem Material eingeschlossen ist. Es ist anzunehmen, dass die DNA-Fragmente durch Bindung an Proteine über die M-Zellen in den Payer’schen Platten resorbiert werden und dann über das Lymphsystem in die Milz 䊳

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 349

und die Leber gelangen, von wo aus sie vermutlich über die Galle wieder in den Darm eliminiert werden. Die zentrale Frage ist natürlich, ob die DNA nach Zufuhr über die Nahrung und Aufnahme in den Organismus in das Genom des Wirts integriert sowie repliziert und exprimiert wird. Dafür gibt es jedoch keine Evidenz. So führte auch die tägliche orale Verabreichung der GFP-DNA an Mäuse über acht Generationen hinweg in keinem Fall zum Nachweis der DNA oder ihrer Fragmente im Genom der Tiere.

7.7 Die Resorptionsprozesse von Elektrolyten und von Wasser sind osmotisch gekoppelt Selbst während der Nahrungskarenz bedarf der Organismus der Zufuhr von Wasser und Elektrolyten. Unter physiologischen Bedingungen werden 90–99 % der Flüssigkeit, die in den Dünndarm gelangt, resorbiert. Nur etwa 100 ml Wasser werden durchschnittlich mit den Fäzes ausgeschieden. Neben dem mit Lebensmitteln einschließlich Getränken zugeführten Wasser, das zusammen im Mittel etwa ein Volumen von 2 L ausmacht, gelangen aus den Sekretionsprozessen circa 7–8 L Flüssigkeit in den oberen Dünndarm. Diese Menge setzt sich zusammen aus dem Sekret der Speicheldrüsen mit etwa 1 L, des Magens mit etwa 2 L, des Pankreas mit etwa 2 L, der Galle mit etwa 1,5 L und des Darmepithels mit etwa 1 L. Durchschnittlich werden damit pro Tag etwa 10 L Wasser im Darm resorbiert und anteilig erneut sezerniert. Darüber hinaus kann bekanntlich die Zufuhr an Getränken nahezu beliebig gesteigert werden, ohne dass die Resorptionskapazität des Darmes ausgeschöpft wird. Die 10 L Flüssigkeit werden bereits etwa zur Hälfte resorbiert, bevor der Chymus das Ileum erreicht. Im Ileum werden nochmals circa 3,5 L aufgenommen, so dass pro Tag nur circa 1,5 L in den Dickdarm gelangen. Die Gesamtkapazität des Dickdarms zur Resorption von Wasser ist jedoch etwa dreimal so hoch und wird nur dann überschritten, wenn die einströmende Flüssigkeitsmenge, zum Beispiel während einer Diarrhöe, im Dünndarm 5 L überschreitet. pd

Darmlumen

Blutseite

elektrochemische Potentialdifferenz

osmotisch wirksame organische Substanzen (vor allem Glucose)

Na + +

Na

+

K

Glucose

H2O NaCl

Na+ H2O

Osm/L H

+

Na+ _

Glucose andere organische Substanzen

NaCl

Cl _ HCO3

7.20

Intestinale Wasserresorption in Folge der Aufnahme osmotisch wirksamer Substanzen

350

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Die Resorption von Wasser ist stets mit der Aufnahme von Elektrolyten und Nicht-Elektrolyten (vor allem Glucose und Aminosäuren) verbunden. So resorbiert der gesamte Darm etwa 800 mmol Na+, 700 mmol Cl– und 100 mmol K+ pro Tag, wobei 75–80 % dieser Elektrolyte bereits im Dünndarm aufgenommen werden. Die zugrundeliegenden Mechanismen dieser eindrucksvollen Resorptionsleistung sind in Abbildung 7.20 vereinfacht dargestellt. Das Dünndarmepithel unterscheidet sich vom Dickdarmepithel durch seine geringere elektrische „Dichtigkeit“. Darunter versteht man den elektrischen Gewebewiderstand der Mucosa, der ein indirektes Maß für die Ionenpermeation beziehungsweise die Leitfähigkeit darstellt. Die elektrochemische Potentialdifferenz über der Mucosa (Blutseite negativ zum Darmlumen) ist für die Permeation der Ionen, vor allem für NaCl von großer Bedeutung. Ionenbewegungen aus dem Darm in die Blutbahn, aber auch in umgekehrter Richtung, werden im Darm primär durch Membranproteine, und in geringem Umfang durch die tight junctions, also die apikalen Zellkontaktbereiche vermittelt. Letztere zeigen eine selektive Durchlässigkeit für Kationen. Quantitativ bedeutend ist die Resorption von NaCl durch spezialisierte Carrierproteine. Die Aufnahme in die Epithelzelle erfolgt an der Bürstensaummembran vor allem durch zwei elektroneutrale Austauschsysteme für Na+ und H+ sowie Cl– und HCO3– beziehungsweise OH–. Als treibende Kräfte dienen der zelleinwärtsgerichtete elektrochemische Na+-Gradient und ein nach extrazellulär gerichteter Gradient für Bicarbonationen, der die Cl–-Aufnahme vermittelt. Da beide Systeme einen 1:1-Austausch katalysieren, werden für 1 mol in die Zelle aufgenommenes NaCl ein mol H2O und ein mol CO2 (H++HCO3–⇔H2O+CO2) abgegeben. Das Wasser kann anschließend wieder aufgenommen werden. Es folgt dabei dem durch den Elektrolyttransport erzeugten osmotischen Gradienten zum Blut. Voraussetzung dafür ist die vorübergehende Anreicherung von osmotisch aktiven Teilchen im Bereich des Interzellularraumes. Da alle resorbierten Ionen und Nicht-Ionen die Zelle über die laterale und basale Seite verlassen, kommt es zu dieser Anreicherung osmotisch wirksamer Substanzen in den Zellzwischenräumen. Aufgrund der Hypertonizität in diesem Kompartiment erfolgt ein Einstrom von Wasser aus dem Lumen durch die Zellen, beziehungsweise durch die tight junctions. Dadurch erweitern sich zunächst die Zellzwischenräume und mit dem weiteren Anstieg des hydrostatischen Drucks kann das Resorbat aus dem Interzellularraum in die Blut- und Lymphgefäße abgeführt werden. Entscheidend für den Export des NaCl aus der Zelle in den Interzellularraum ist die Na+/K+-ATPase, die den vektoriellen Na+Transport gegen den Na+-Gradienten ermöglicht, wobei die Cl–-Ionen passiv entlang der Potentialdifferenz, durch Kanalproteine vermittelt, den Natriumionen folgen. Neben dem Transport von NaCl dienen auch die an den Na+-Ionengradienten gekoppelten Transportsysteme für Glucose, Aminosäuren und andere organische Substrate als indirekte „Wasserpumpen“. Auch durch diese Transportprozesse werden große Mengen osmotisch wirksamer Teilchen in die Zelle und von dort in die Interzellularräume transportiert, denen das Wasser zum Ausgleich der Osmolarität folgt (Abbildung 7.20). Im Dickdarmepithel, das einen höheren elektrischen Widerstand zeigt, werden Na+Ionen zusätzlich durch apikale Na+-Kanäle (ENAC-Kanäle) aufgenommen. Die Expression der Kanäle kann – ähnlich wie der Na+/K+-ATPase – durch Mineralcorticoide erhöht werden. Dies führt zu einer adaptativen Steigerung der intestinalen Na+-Resorption. Die Elektrolyttransportsysteme in den Epithelzellen unterliegen einer komplexen Regulation durch das intestinale Nervensystem in Verbindung mit dem ZNS. Darüber

7. Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 351

hinaus sind eine Reihe gastrointestinaler Hormone, biogener Amine wie Histamin und Serotonin sowie NO und Eikosanoide an der Regulation beteiligt. Dies erklärt zum Beispiel auch das Auftreten stressbedingter Diarrhöen. Darüber hinaus können Viren und Toxine pathogener E. coli-Stämme oder auch Choleratoxin durch direkte Wirkung auf zelluläre Signaltransduktionsvorgänge Sekretionsprozesse und Motilitätsteigerungen auslösen, die zu massiven Diarrhöen mit lebensbedrohlichem Verlauf führen. Allerdings stehen heute höchst wirksame Medikamente zur Verfügung, die diese Wirkungen auf die Sekretion und Motilität antagonisieren können.

7.7.1 Die Resorption der Mengenelemente Calcium, Magnesium und Phosphat wird von Wechselwirkungen bestimmt Während die Resorptionsvorgänge der monovalenten Ionen nur wenige direkte Interaktionen erkennen lassen, sind die Resorptionsprozesse bei divalenten Ionen wie Ca2+, Mg2+ und HPO42– von einer Reihe komplexer Wechselwirkungen geprägt. Insbesondere zur intestinalen Resorption des Calciums liegen dazu umfangreiche Studien vor. Das Interesse an dieser Frage ist verständlich, da die Verfügbarkeit des Calciums aus der Nahrung für die Calciumversorgung von eminenter Bedeutung ist. Die Resorption von Ca2+-Ionen erfolgt in Abhängigkeit von der zugeführten Calciummenge mit einer Sättigungskinetik. Dies bedeutet, dass ab einer Zufuhr von etwa 1 g die Netto-Calciumaufnahme nur noch wenig gesteigert werden kann. Der Begriff Netto-Resorption ist so zu verstehen, dass es im Gastrointestinaltrakt auch eine endogene Sekretion von Calcium gibt, und dass das in den Fäzes nachweisbare Calcium nicht nur das nicht-resorbierte Nahrungscalcium beinhaltet, sondern einen Summenbetrag wiedergibt. Im Schnitt beträgt die Resorptionsrate des Calciums etwa 20–35 %. Die Verfügbarkeit des Calciums wird stark von sogenannten Matrixeffekten bestimmt, das heißt davon, welche Begleitstoffe im Chymus vorhanden sind. Dies beruht darauf, dass Begleitsubstanzen und der pH-Wert maßgeblich die Löslichkeit bestimmen und Calcium sehr leicht komplexiert werden kann. So können unter anderem Calciumseifen oder Chelate gebildet werden, die eine geringe Verfügbarkeit bedingen. Umgekehrt können bestimmte Komplexe, unter anderem mit MCT-Fetten, die Verfügbarkeit scheinbar auch erhöhen. Recht widersprüchliche Befunde lieferten Studien am Menschen zur Aufnahme von Ca2+ aus Kostformen, die höhere Mengen an Phytaten, Oxalat und Phosphaten aufwiesen. Bei einem Überschuss von Phosphaten besteht die Möglichkeit der Bildung schwer löslicher Calciumphosphate mit geringer Resorptionsrate. Auch Mg2+Ionen haben in experimentellen Studien eine Interaktion mit den Resorptionsprozessen des Calciums erkennen lassen. Calcium wird aus den verschiedenen Darmabschnitten etwa gleich gut resorbiert. Auf epithelialer Ebene können zwei Transportrouten identifiziert werden. Neben einem dosisproportionalen parazellulären Weg erfolgt die Aufnahme durch die Bürstensaummembran mittels Carrierproteine beziehungsweise durch Calciumkanäle entlang des sehr hohen Konzentrationsgradienten (im Lumen circa 2–3 mol × L–1; in der Epithelzelle circa 0,1 μmol × L–1) und der elektrochemischen Potentialdifferenz. Für diesen transzellulären Weg wird jedoch auch eine Aufnahme über endocytotische Vesikel diskutiert. Ganz ohne Zweifel stellt der transzelluläre Weg den Prozess dar, der unter Kontrolle des 1,25-(OH)2-Cholecalciferols (Calcitriols) steht und die adaptative Anpassung der Calciumresorption an einen Abfall der Konzentration an ionisiertem Ca2+ im Plasma er-

352

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

möglicht. Die durch Calcitriol induzierte Expression des Calbindin-Gens stellt dabei ein zentrales Ereignis dar. Das vermehrt gebildete Calbindin kann offenbar den Aufnahmeprozess für Ca2+ steigern und besitzt als Calciumbindungsprotein eine wichtige Rolle beim intrazellulären Transfer des Ions zur baso-lateralen Membran und bei dessen Ausschleusung aus der Zelle. Sowohl bei Patienten mit Hypercalciurie, als auch beim Hyperparathyreodismus wird häufig eine erhöhte intestinale Calciumresorption beobachtet. Eine Erhöhung der Calciumresorption führt jedoch nicht zwangsläufig zu einer Verbesserung der Netto-Resorption im Organismus. Dies ist dadurch erklärbar, dass sowohl die Calciumkonzentration im Plasma als auch der extra-intestinale Pool durch das Parathormon und das Thyreocalcitonin in engen Grenzen reguliert werden (Abschnitt 8.3.5). Als zweiwertiges Kation folgt auch Magnesium bei seiner Aufnahme in die Zelle der elektrischen Potentialdifferenz, wenngleich seine intrazelluläre Konzentration kaum unter der des Darmlumens liegt. Die Resorptionskinetik des Magnesiums zeigt einen biphasischen Verlauf, der bei niedrigen Konzentrationen im Lumen komplexe Transportprozesse erkennen lässt. Hinweise auf spezifische – bisher aber molekular nicht identifizierte – Transportprozesse liefern klinische Befunde bei Kindern mit primärem Magnesiummangel, die deutlich verminderte Resorptionsraten für Magnesium bei gleichzeitig normaler Calciumresorption erkennen lassen. Auch der Resorptionsprozess für Phosphat ist bisher nur funktionell, nicht aber molekular zu beschreiben. Phosphat wird einerseits in anorganischer Form, andererseits in vielen organischen Bindungsformen mit der Nahrung zugeführt. Die Freisetzung des Phosphats aus seinen Bindungen erfolgt in der Digestionsphase vor allem durch unspezifische Phosphatasen. In Inositolen gebundenes Phosphat (Phytate) wird vergleichsweise schlecht freigesetzt. Die Aufnahme des HPO42– beziehungsweise H2PO4– in die Epithelzelle ist pH-abhängig und erfolgt im Cotransport mit Na+-Ionen, womit die Bewegung des Anions gegen den elektrochemischen Gradienten ermöglicht wird. Auch die Phosphatresorption wird durch Calcitriol gefördert, diese Wirkung steht aber nicht in unmittelbarem Zusammenhang mit dessen Effekten auf die Calciumresorption. Neben dem transzellulären Transport des Phosphats lässt sich auch ein parazellulärer Transfer nachweisen, der bidirektional ist und damit auch zu einer Abgabe in das Darmlumen führen kann. Diese Komponente der Phosphatbewegungen am Epithel ist unabhängig vom Calcitriol, zeigt aber eine Beziehung zum Transport anderer Elektrolyte und von Wasser. Der Phosphatstoffwechsel wird, ähnlich wie der Calciumstoffwechsel, durch Vitamin D und das Parathormon beeinflusst.

7.7.2 Die Resorption von Eisen zeigt eine eindrucksvolle Adaptation an die Versorgungslage des Organismus Die intestinale Resorption des Eisens hat in der klinischen Forschung ein weitaus größeres Interesse gefunden als die anderer Elemente. Dies beruht auf der ausgeprägten Anpassung der Resorptionsvorgänge an den klinisch relevanten Eisenmangel oder die Überversorgung. Trotz Jahrzehnten intensiver Forschungsaktivität sind jedoch die molekularen Ereignisse, die zu diesen Adaptationsphänomenen führen, noch nicht im Detail aufgeklärt. Eisen wird bekanntlich mit der Nahrung als organisches porphyringebundenes Eisen (Hämeisen) oder als Eisenhydroxid zugeführt. Da Fe2+/Fe3+ ein Redox-System darstellt und die beiden Ionenspezies unterschiedliches physikochemisches Verhalten auf-

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 353

weisen, wird auch die Resorption von der Wertigkeit stark beeinflusst. Während Fe3+ bei pH-Werten > 4 praktisch unlöslich ist, steigt die Löslichkeit des Eisens in hämgebundener Form sprunghaft bei pH-Werten über 6 an. Im Gegensatz dazu sinkt die Löslichkeit von Fe2+ bei pH-Werten über 6, und ab pH 9 ist es völlig unlöslich. Allein aus den Löslichkeitprofilen in Abhängigkeit vom pH-Wert und der Bindungsform wird deutlich, dass pH-Veränderungen im Milieu des Magendarmtrakts sowie die Anwesenheit von reduzierenden Substanzen und Komplexbildnern beträchtliche Auswirkungen auf die Verfügbarkeit des Eisens haben können. Zwar wird häufig der Magen-Salzsäure eine wichtige Rolle bei der Solubilisierung des Nahrungseisens zugeschrieben, doch gibt es hierfür keine überzeugenden Befunde. So findet sich zum Beispiel auch kein Hinweis auf eine defizitäre Eisenversorgung bei Menschen nach langfristiger Therapie mit Säureblockern. Während reduzierende Substanzen in der Kost, wie freie Ascorbinsäure oder die SH-Gruppen der Proteine, die Umwandlung von Fe3+ in Fe2+ begünstigen und seine Löslichkeit verbessern, können Oxalate, Phytate, Tannine und Phosphate durch Komplexbildung und Veränderung der Löslichkeit die Resorption ungünstig beeinflussen. Die Komplexchemie des Eisens bedingt, dass es in der Digestions- und Resorptionsphase durch eine große Zahl von Liganden (unter anderem organische Säuren, Aminosäuren, Peptide, Fettsäuren), die die Fähigkeit zur Eisenbindung besitzen, ständig umverteilt wird. In diesem Sinne sind auch Mucusproteine sowie die Membranproteine der Epithelzelle als Liganden zu verstehen, die in einer Konkurrenz mit den löslichen luminalen Liganden stehen. Trotz einer großen Zahl von möglichen Variablen lassen sich reproduzierbare Befunde zum Einfluss der Art der Nahrung und der Bindungsform des Eisens auf die Verfügbarkeit feststellen. Wird zum Beispiel die gleiche Menge Eisen als Eisensulfat oder hämgebundenes Eisen ohne Nahrung verabreicht, sind die Resorptionsraten mit circa 18–20 % etwa gleich hoch. Wird der Versuch jedoch mit einer gemischten Kost wiederholt, sinkt die Resorptionsrate bei Eisensulfatgabe auf weniger als 5 % der Dosis, während im Falle des Hämeisens weiterhin etwa 18 % resorbiert werden. Die begrenzte Resorptionskapazität für Eisen wird auch daran erkennbar, dass eine tausendfache Erhöhung einer oralen Dosis eines Eisensalzes (von 0,1 mg auf 100 mg) nur zu einer Steigerung der resorbierten Menge von etwa 0,1 mg auf maximal 10 mg führt. Betrachten wir den Resorptionsschritt an der Bürstensaummembran der Epithelzelle, so werden verschiedene Membranproteine als Vermittler der Aufnahme von freiem Eisen diskutiert. Die Identifizierung eines Integrins (β 3-Integrin) als eisenbindendes Protein in der apikalen Membran von Epithelzellen führte zur Annahme, dass es als Trägerprotein für den Membrandurchtritt des Eisens dient. Erst kürzlich wurde ein weiteres Membranprotein beschrieben, dessen mRNA in Duodenalzellen bei Eisenmangel dramatisch erhöht ist. Es fungiert als elektrogener Carrier für Eisen beziehungsweise Eisenchelate. Der identifizierte Transporter (DCT1: divalent cation transporter 1) kann in Gegenwart von Ascorbat neben Fe2+ auch viele andere divalente Kationen (unter anderem Zn, Mn, Co, Cd, Cu, Pb) transportieren. Dies könnte einen Teil der berichteten Wechselwirkungen solcher Metalle mit der Eisenresorption erklären. Als Triebkraft dient dem DCT1 ein Protonengradient und das Membranpotential. Das Protein wird offenbar bei Eisenmangel adaptativ vermehrt gebildet, was die im Mangel signifikant erhöhte Eisenresorption verständlich werden lässt. Inwieweit noch andere Transportcarrier an der Resorption von freiem Eisen, vor allem auch von Fe3+ beteiligt sind, bleibt noch zu prüfen.

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Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Die Proteolyse von Myoglobin und Hämoglobin aus tierischen Produkten führt intraluminal zur Freisetzung des Häms, in dem das Eisen koordinativ gebunden ist. Komplexbildner, die die Resorption des freien Eisens stark beeinflussen, üben auf die Aufnahme des Hämeisens in die Darmzelle kaum Einfluss aus. Die Resorption des hämgebundenen Eisens erfolgt vermutlich über einen vesikulären Mechanismus und möglicherweise einen spezifischen Häm-Transporter. Aus dem Häm wird Eisen in der Epithelzelle durch eine Hämoxygenase freigesetzt und gelangt zusammen mit den über Carrierproteine aufgenommenen Eisenionen in den cytosolischen Pool mit seinen spezifischen Bindungsproteinen. In der Epithelzelle wird das Eisen von dem 56 kDa großen Mobilferrin sowie einem 520 kDa großen Komplex gebunden, der als Paraferritin bezeichnet wird. Dieser hochmolekulare Proteinverband enthält neben Mobilferritin auch das Integrin und eine Flavinmonooxygenase. Der Komplex besitzt damit auch die Fähigkeit zur Reduktion des Fe3+ zu Fe2+. Bei einer Erhöhung der Eisenspiegels in der Epithelzelle wird vermehrt Ferritin gebildet, vermutlich um einer oxidativen Schädigung zellulärer Proteine durch ionisiertes Eisen entgegenzuwirken. Durch die umfangreiche Bindung des Eisens im Ferritin kann das Darmepithel auch als Speicher von Körpereisen angesehen werden. Die in der baso-lateralen Membran der Epithelzelle gelegenen Rezeptoren für das Eisentransportprotein des Plasmas, das Transferrin, vermitteln nach Bindung des Transferrins an diese Rezeptoren die Übertragung des intrazellulären, proteingebundenen Eisens auf das Transferrin. Der Anstieg der Eisenresorption bei Eisenmangel ist gegenwärtig am einfachsten mit der vermehrten Bildung von Transport- und Bindungsproteinen in der Epithelzelle erklärbar. Die Transkription der entsprechenden Gene wird über eisenempfindliche regulatorische Proteine, die als Transkriptionsfaktoren wirken, vermittelt. Die Mechanismen, die eine Verminderung der Resorption bei Eisenüberladung des Organismus hervorrufen, sind dagegen nur unzureichend geklärt. Hierbei muss aber berücksichtigt werden, dass in der Mucosa gebundenes Eisen bei der Abschilferung der kurzlebigen Epithelzellen in beträchtlichen Mengen verloren geht und zur Elimination aus dem Organismus führt. Alle Spurenelemente der Gruppe der Übergangsmetalle zeigen mit ihrer Fähigkeit zur Bildung von Komplexverbindungen ein ähnliches Verhalten bei ihrer Resorption im Gastrointestinaltrakt. Auch ihre Verfügbarkeit wird von anderen Nahrungsinhaltstoffen, von Substanzen aus Sekretionsprozessen und vom physikochemischen Milieu im Darm stark beeinflusst. So lassen sich Wirkungen vieler niedermolekularer Liganden (unter anderem Aminosäuren, Citrat, Peptide) auf die Resorptionsprozesse von Zink, Kupfer, Cobalt, Selen und vielen anderen Metallen nachweisen. Auf Interaktionen der Metalle bei ihrer Aufnahme ins Epithel sowie den Transfer ins Blut wurde schon im Zusammenhang mit der Eisenresorption hingewiesen. Schwermetalle wie Cadmium oder Blei nutzen für ihre Resorption ebenfalls ähnliche Wege, so dass die intestinale Resorption essentieller Spurenelemente durch diese, in hohen Dosen toxischen Metalle, negativ beeinflusst wird.

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 355

7.8 Die gastrointestinalen Vorgänge bei der Resorption von wasserlöslichen Vitaminen sind so vielgestaltig wie deren chemische Struktur Neben der Resorption von Hauptnährstoffen, Mengen- und Spurenelementen sowie Wasser spielt der Magendarmtrakt natürlich auch eine wichtige Rolle bei der Versorgung des Organimus mit wasserlöslichen Vitaminen. Die herausragende Bedeutung dieses Organs für die Bedarfsdeckung wird auch in diesem Falle aufgrund von Adaptationsphänomenen deutlich, bei denen Resorptionsprozesse an einen erhöhten oder verminderten Bedarf angepasst werden. Da Vitamine nur in Mikro- oder Milligrammmengen mit der Kost zugeführt werden, betragen die Konzentrationen dieser Verbindungen im Gastrointestinaltrakt nur etwa 10–6 bis 10–8 mol × L–1. Will man sich mit den Resorptionsmechanismen der Vitamine beschäftigen, so ist man darauf angewiesen, in den physiologisch vorkommenden Konzentrationen zu arbeiten. Die Verabreichung sehr hoher Dosen, wie sie mit Nahrungsergänzungspräparaten und Vitaminpharmaka erreicht werden, führt dazu, dass bei den meisten Vitaminen ausschließlich dosisproportionale Resorptionsvorgänge auftreten, die die physiologisch relevanten Prozesse bei der Aufnahme aus der Nahrung maskieren. Trotz intensiver Forschungsaktivität sind die Mechanismen der intestinalen Resorption bei der Mehrzahl der wasserlöslichen Vitamine nicht vollständig geklärt. Es würde den Rahmen dieses Kapitels sprengen, wollte man jeden dieser Mikronährstoffe im Detail behandeln. Es werden aus diesem Grund nur allgemeine Prinzipien dargestellt und auf einige Besonderheiten bei einzelnen Vitaminen eingegangen. Tabelle 7.2 enthält einige Daten zur intestinalen Resorption und Prozessierung der wasserlöslichen Vitamine.

7.8.1 Die meisten wasserlöslichen Vitamine werden vor und nach der Resorption enzymatisch verändert Entsprechend ihrer Funktion im Intermediärstoffwechsel liegen die meisten Vitamine in den Zellen als Coenzyme vor, da sie in dieser Form bei enzymatischen Reaktionen an der Katalyse beteiligt sind. Eine Ausnahme bildet die Ascorbinsäure, die neben ihrer Cofaktorrolle bei Hydroxylierungsreaktionen primär antioxidative Funktionen im wässrigen Milieu erfüllt (Abschnitt 4.4.2.9). Mit der Nahrung aufgenommene Vitamine gelangen also in Formen in den Gastrointestinaltrakt, in denen sie in pflanzlichen und tierischen Zellen ihre biologischen Funktionen erfüllen; das heißt als Coenzyme und/oder an Proteine gebunden. In diesen Bindungsformen sind sie aber in der Regel nicht bioverfügbar, das heißt, sie können als solche nicht resorbiert werden. Darüber hinaus sind eine ganze Reihe von Vitaminen integrale Bestandteile von hochmolekularen Proteinen (zum Beispiel Flavoproteinen), so dass ihre Bioverfügbarkeit an die Hydrolyse des Proteins gebunden ist. Im Gegensatz dazu sind in Vitaminpräparaten für die Nahrungsergänzung oder in pharmazeutischen Zubereitungen die Vitamine in freier Form – meist als Salze – enthalten. Die Fähigkeit zur Resorption setzt bei vielen wasserlöslichen Vitaminen die enzymatische Freisetzung aus den Proteinbindungen beziehungsweise den Coenzymformen voraus. Dies gilt auch für die diversen Bindungsproteine, wie sie zum Beispiel in Mutter- oder Kuhmilch unter anderem für Folate nachgewiesen worden sind. Im Falle

Proteingebundenes Biotin, Proteolyse Biocytin (Lysylbiotin), freies Biotin

NAD, NADP

Biotin

Niacin

Proteolyse und Übertragung auf spezielle Bindungsproteine

Cobalamin

Proteingebundene Cobalamine, Methyl-, Adenosyl-, Aqua-, Cyanocobalamin

Hydrolyse zu Pantothensäure mit Beteiligung von Phosphatasen

keine

Hydrolyse durch Pyrophosphatase und Nucleosidase nur in geringem Umfang gespalten

Hydrolyse durch Polyglutamathydrolase (Konjugase)

Proteolyse Hydrolyse durch Phosphatasen vermutlich nicht gespalten

Pantothensäure CoA, Phosphopantothein, Pantethein

Ascorbat, Dehydroascorbat

Glykokonjugate der Nicotinsäure

Mono- u. Polyglutamatformen red. und oxid. Formen versch. substituierte Formen

Folate

Ascorbat

Proteingebundene Formen, Phosphatester; (PALP, PAMP) glykosylierte Formen

Rephosphorylierung zu PALP

rezeptorvermittelte Endocytose im Ileum

Transzellulärer Transfer durch Bindungsproteine

Resynthese von CoA

Prozess

Na+-abhängiger sowie Diffusion

Redox-Vorgänge

Na+-abhängiger Prozess

über Anionenaustauscher Resynthese der sowie Diffusion Coenzymformen

Na+-abhängiger Prozess, – Diffusion

Monoglutamatformen Reduktion und über Anionenaustauscher Synthese von (sättigbar) 5-CH3-THF

Diffusion

Rephosphorylierung zu TMP, TDP

Pyridoxin

Kationenaustauscher (sättigbar)

Flavinadeninmononucleotid (FMN), Hydrolyse der Phosphatester Na+-abhängiger Prozess, Resynthese von FMN Flavinadenindinucleotid (FAD), durch Phosphatasen (sättigbar) und FAD Flavoproteine, Proteolyse nur in geringem Umfang glykosylierte Formen

Hydrolyse der Phosphatester durch Phosphatasen

Riboflavin

Primäre Umwandlungsreaktionen in der Epithelzelle

Thiaminmonophosphat, Thiamindiphosphat, Thiamintriphosphat

Physiologischer Resorptionsvorgang

Thiamin

Freisetzungsprozesse im Magen-Darmtrakt

Mit der Nahrung zugeführte Formen

Vitamin

Tabelle 7.2: Intestinale Resorption und Prozessierung wasserlöslicher Vitamine

356 Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 357

glykosylierter Transport- und Bindungsproteine ist die Verfügbarkeit der Vitamine durch die begrenzte Hydrolyse des Glykoproteinanteils in besonderer Weise eingeschränkt. Letzteres stellt jedoch eine wichtige Voraussetzung für die Resorption von Cobalaminen dar.

7.8.2 Cobalamine der Nahrung werden über einen exklusiven Weg resorbiert Cobalamine werden mit der Nahrung fast ausschließlich in proteingebundener Form aufgenommen. Bereits im Magen erfolgt eine pH-abhängige Umverteilung der Cobalamine auf Haptocorrine (sogenannte R-Typ-Binder; R-Proteine), die vor allem aus den Speicheldrüsen stammen. Durch partielle Proteolyse der R-Proteine im Dünndarm werden die Cobalamine freigesetzt und auf den intrinsic factor (IF) übertragen, der von den Parietalzellen des Magens sezerniert wird. Dieses 48–50 kDa Glykoprotein besitzt eine beträchtliche Proteolyseresistenz und kann daher als Cobalamin-IF-Komplex das Ileum erreichen. Dort bindet der Komplex Ca2+-abhängig an einen vermutlich als Dimer vorliegenden spezifischen Rezeptor in der Bürstensaummembran der Epithelzellen des Ileums. Die Bindung an den Rezeptor findet unter Beteiligung von Sialinsäureresten des IF statt. Nach Endocytose und endosomaler beziehungsweise lysosomaler Freisetzung der Cobalamine werden diese auf zelluläres Transcobalamin übertragen und über sekretorische Vesikel in einem sehr langsamen Prozess aus der Epithelzelle ausgeschleust. Für die Umverteilung der Cobalamine zwischen den Bindungsproteinen der Nahrung und dem IF spielen die HCl-Sekretion und die gastrointestinalen Proteasen eine wichtige Rolle. Bei Patienten mit stark eingeschränkter Salzsäure- und Pepsinsekretion kann gelegentlich eine verminderte Resorption von Vitamin B12 aus der Nahrung beobachtet werden, wenngleich die Patienten freies Cobalamin durchaus resorbieren können. Der Erfassung von Malabsorptionsprozessen für das B12 der Nahrung dient der sogenannte Schilling-Test, bei dem radioaktives Cobalamin in freier Form oder an IFgebunden verabreicht wird. Anhand der Ausscheidung des Cobalamins im Urin kann beurteilt werden, ob die Malabsorption zum Beispiel bei einer perniziösen Anämie aufgrund eines Mangels an IF auftritt, oder ob der Resorptionsprozess im terminalen Ileum beeinträchtigt ist. Bei letzterem würde auch bei der Gabe des Cobalamin-IF-Komplexes nur wenig B12 resorbiert werden. Während die Resorption der proteingebundenen Cobalamine im Ileum erfolgt, wird freies Cobalamin aus pharmazeutischen Präparaten im oberen Dünndarm aufgenommen. Die Resorption erfolgt aber nur in geringem Umfang und erfordert daher eine sehr hohe orale Zufuhr. Da Vegetarier beziehungsweise Veganer alimentär extrem wenig B12 aufnehmen, wird die Empfehlung für entsprechende Algenpräparationen als Cobalaminquellen ausgesprochen. Allerdings ist das Cobalamin in mehreren dieser Algen in Bindungsformen enthalten, die ebenfalls nur eine geringe Bioverfügbarkeit und damit Bioaktivität besitzen.

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Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

7.8.3 Die Freisetzung der Vitamine aus den Coenzymformen erfordert vor allem membrangebundene Hydrolasen Wie erwähnt, müssen die in Coenzymform zugeführten Vitamine für ihre Aufnahme in das Epithel und den Organismus hydrolytisch freigesetzt werden. Für diese Funktion stehen an der Bürstensaummembran der Epithelzellen gebundene Enzyme zur Verfügung. Im Falle der Phosphatester-Formen des Thiamins, des Pyridoxins und der Pantothensäure erfolgt die Abspaltung der Phosphorsäurereste vor allem durch die alkalische Phosphatase, die mit sehr hoher Aktivität an der apikalen Zellmembran gebunden vorkommt. Sie ist auch an der Freisetzung von Riboflavin aus FMN und FAD beteiligt. Pyrophosphatase- und Nucleosidaseaktivitäten gegenüber NAD und NADP ermöglichen darüber hinaus die Freisetzung der Nicotinsäure aus den Coenzymen. Die Abspaltung der Monoglutamatformen der Folsäure aus den Folyl-Polyglutamaten erfordert dagegen eine Carboxypeptidase (sogenannte Konjugase) am Epithel. Die Konjugase kann die über γ-Carboxylgruppen peptidisch gebundenen Glutamatreste abspalten und die Monoglutamatformen der Folate freisetzen. Sowohl in pflanzlichen als auch tierischen Lebensmitteln liegen die Folate zu circa 50 % als Polyglutamate mit 4–10 Glutamatresten vor. Teilweise enstehen schon während der Be- und Verarbeitung der Lebensmittel die Folyl-Monoglutamate und verkürzte Polyglutamatformen, da bei der Zerstörung der Zellen und Organellen im Lebensmittel Konjugasen freigesetzt werden. Proteingebundenes Biotin, das fast ausschließlich kovalent mit Lysinresten verknüpft vorkommt, wird ebenfalls hydrolytisch im Rahmen der Proteolyse freigesetzt. Eine besondere Bindungsform des Biotins findet sich dagegen im Biotin-Avidinkomplex. Beim Avidin handelt es sich um ein wasserlösliches basisches Glykoprotein, das in Eiern von Vögeln, Amphibien und Reptilien vorkommt. Es bildet mit Biotin stöchiometrisch einen oligomeren Komplex mit der stärksten bisher bekannten nicht-kovalenten Bindung. Da der Komplex im Darm nicht hydrolysiert werden kann, ist das Biotin, unter anderem aus rohen Eiern, nicht verfügbar. Mit exzessiver Zufuhr von rohem Ei kann daher ein klinisch relevanter Biotinmangel erzeugt werden. Bei Erhitzung auf über 100 oC wird das Avidin denaturiert und das Biotin freigesetzt.

7.8.4 Die wasserlöslichen Vitamine sind überwiegend schwache Elektrolyte Mit Ausnahme der Cobalamine und des Riboflavins liegen alle wasserlöslichen Vitamine nach ihrer Freisetzung aus den Coenzym- beziehungsweise Proteinkomplexen als schwache Säuren oder schwache Basen vor, das heißt, ihre Netto-Ladung hängt vom pk-Wert ihrer ionisierbaren Gruppen und dem pH-Wert im Darm ab. Für die vergleichsweise kleinen Moleküle mit geringen Molmassen resultiert daraus, dass sie in ungeladenener Form leicht durch biologische Membranen diffundieren können. Das erklärt auch die Dosisproportionalität ihrer Resorption bei Zufuhr größerer Mengen in kristalliner Form. Für einige der Vitamine sind jedoch auch sättigbare Resorptionsprozesse in den physiologisch vorkommenden Konzentrationsbereichen beschrieben worden. In der Mehrzahl der Fälle kennzeichnet daher die Resorptionsrate eines Vitamins als Funktion seiner intraluminalen Konzentration eine sogenannte duale Kinetik. Dies heißt, dass bei geringer Konzentration spezifische und sättigbare carriervermittelte Transportvorgänge dominieren und bei hohen Konzentrationen dann zunehmend die dosisproportionale Aufnahme überwiegt. Die für die verschiedenen Vitamine beschriebenen

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 359

Resorptionsvorgänge fasst Tabelle 7.2 zusammen. Sie sind vorwiegend als Na+-abhängige Prozesse dokumentiert oder erfolgen durch elektroneutrale Austauschvorgänge, wie im Falle des kationischen Thiamins oder den anionischen Folyl-Monoglutamaten. Der Aufnahme in die Epithelzelle folgt meist eine metabolische Umwandlung in die entsprechenden Coenzymformen. Dieser Vorgang wird als metabolisches trapping bezeichnet und weist darauf hin, dass mit der enzymatischen Umwandlung ein „Einfangen“ des Vitamins erfolgt. Die Coenzymformen dienen damit als vorübergehender Speicher in der Epithelzelle und verhindern ein schnelles Auswaschen der Substanzen. Für ihren Efflux aus der Epithelzelle in die Zirkulation werden die Vitamine meist wieder in die freie Form überführt und über noch unbekannte Transportproteine durch die baso-laterale Membran der Zelle ausgeschleust. Für etliche wasserlösliche Vitamine ist ein enterohepatischer Kreislauf nachgewiesen. Nach ihrer Aufnahme in die Leber und Sekretion in die Gallenflüssigkeit können sie im Dünndarm erneut zur Resorption gelangen. Inwieweit Vitamine, die von Mikroorganismen im Dickdarm produziert werden, zur Bedarfsdeckung des Organismus beitragen, wird noch immer kontrovers diskutiert. Voraussetzung für ihre Bioverfügbarkeit ist, dass sie von den Bakterien sezerniert werden und tatsächlich für eine Aufnahme in das Colonepithel zur Verfügung stehen. Dies scheint im Falle von Folaten und Biotin der Fall zu sein. Aus tierexperimentellen Studien lässt sich ableiten, dass bis etwa 10 % des Bedarfs, zum Beispiel an Biotin, durch die Resorption von Biotin aus mikrobiellem Ursprung gedeckt werden kann. Insgesamt spielt aber die Resorption der Vitamine aus dem Dickdarm – mit Ausnahme des mikrobiellen fettlöslichen Vitamin K – für die Bedarfsdeckung keine bedeutende Rolle.

7.9 Der Dickdarm dient als Fermentationskammer Der Dickdarm wird anatomisch in das Caecum, Colon ascendencs, Colon transversum, Colon sigmoideum, Colon descendens und Rectum unterteilt. Durch die Valva ileocoecalis erfolgt der Übertritt des Chymus aus dem terminalen Ileum in den Dickdarm. Hier verbleibt der Darminhalt im Vergleich zu seiner schnellen Passage durch den Dünndarm recht lange (20–50 Stunden) und erfährt nochmals charakteristische Veränderungen seiner Zusammensetzung. Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass der Dickdarm eine beträchtliche Kapazität zur Resorption von Elektrolyten und Wasser besitzt und entscheidend für die Konzentrierung der Fäzes ist. Insgesamt ist die innere Oberfläche des Colons nicht sehr groß. Die für den Dünndarm charakteristischen oberflächenvergrößernden Strukturen der Schleimhaut (Zotten und Mikrovilli) sind hier nicht mehr nachweisbar. Bezieht man die innere Oberfläche des Dickdarms auf die Gesamtkörpermasse, kann der Mensch beim Vergleich mit anderen Spezies eher den Carnivoren als den Herbivoren zugeordnet werden. Zum gleichen Resultat kommt man, wenn die Fäzesmenge ins Verhältnis zur Körpermasse gesetzt wird. Dies weist darauf hin, dass die Fermentationskapazität des Dickdarms beim Menschen recht gering ist, insbesondere beim Vergleich mit Spezies, die auch signifikante Energiemengen aus den Fermentationsprodukten beziehen. Dennoch spielen die im Dickdarm ablaufenden Fermentationsprozesse eine wichtige Rolle, da sie die Struktur und Funktion des Epithels beeinflussen. Die Mikroorganismenbesiedelung des Dickdarms weist eine beträchtliche Konstanz auf. Sie lässt sich in eine Lumenflora und eine wandständige Flora unterteilen.

360

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Letztere dient im Sinne eines individuellen Inokulats der stetigen Regeneration der luminalen Flora. Während in einem Individuum das Keimspektrum eine gewisse Konstanz zeigt, können zwischen einzelnen Individuen beträchtliche Unterschiede in den Spezies nachgewiesen werden. Die Bakterienmasse macht etwa 40 % des Darminhalts im Colon aus und zeigt mit bis zu 1011 Keimen × g–1 hier die höchste Populationsdichte im Darm. Etwa 300 bis 400 verschiedene Keimspezies können identifiziert werden, wovon circa 90 % Anaerobier sind. Dominant sind die gramnegativen BacteroidesStämme, gefolgt von den grampositiven strikt anaeroben Bifido- und Eubacteria-Arten. Es folgen die Gattungen der Streptococci und Lactobacilli, die in ihrer Zahl die Gattung der E. coli und Enterococcen übertreffen. In sehr viel geringeren Keimdichten kommen dagegen Clostridien, Staphylococcen, Proteus- und Pseudomonas-Arten im Colon vor.

7.9.1 Die Stoffwechselleistungen der Flora beeinflussen das Darmepithel Alle Keime stehen im Dickdarm als Ökosystem in einer wechselseitigen Beeinflussung ihrer Wachstumsbedingungen und in Konkurrenz um Nährstoffe und Wachstumsfaktoren. Ihre metabolische Aktivität, die in der Gesamtheit der Keime etwa der der Leber entspricht, führt vor allem zur Bildung von kurzkettigen Fettsäuren und Lactat aus der Fermentation von Substraten, die dem Abbau und der Resorption im Dünndarm entgangen sind. Darüber hinaus fallen aus dem mikrobiellen Stoffwechsel auch Gase wie CO2 und H2, bei einzelnen Individuen aber auch Methan an. Besonders die Bildung von H2 aus fermentierbaren Substraten kann genutzt werden, um zum Beispiel die orocaecale Transitzeit mittels einer H2-Exhalationsmessung nach Gabe von Lactulose zu bestimmen. Andere, quantitativ weniger bedeutende Produkte des mikrobiellen Stoffwechsels sind verzweigtkettige Fettsäuren, Ammoniak, Amine, Phenole und Indole sowie weitere organische Verbindungen. Aufgrund ihrer speziellen Enzymausstattung mit β-Glucuronidasen, β-Glucosidasen, Azo- und Nitroreductasen sowie 7-α-Dehydroxylasen bilden diverse Bakterienspezies auch Verbindungen, die als toxisch und kanzerogen eingestuft werden. Dieser Stoffwechselleistung wird in den letzten Jahren zunehmend Bedeutung geschenkt, da die Zahl der Colon- und Rectumkarzinome in den nordeuropäischen Ländern stark gestiegen ist. Dies wird ursächlich mit den Ernährungsgewohnheiten in Verbindung gebracht. Zwar ist man noch nicht in der Lage eine Kausalitäskette zu erstellen, doch gibt es dazu eine Reihe von Hypothesen. Die erbliche Komponente wird für mindestens 5 % der Colonkarzinome verantwortlich gemacht. Eine Vielzahl von Gendefekten, unter anderem in Tumorsuppressorgenen und DNA-Reparaturgenen, sind in diesem Zusammenhang nachgewiesen. Auch bei den sporadischen Formen des Colonkarzinoms kommt es offenbar zu einer Akkumulation somatischer Mutationen in Tumorsuppressorgenen und Protoonkogenen. Dies lässt im Laufe des Lebens das Risiko zum Erwerb eines Colon- oder Rectumkarzinoms stark ansteigen. Zentrale Bedeutung erhalten im Zusammenhang mit der Colonkarzinogenese die sekundären Gallensäuren und die kurzkettigen Fettsäuren als Produkte der Fermentationsprozesse. Durch Bakterien werden die primären Gallensäuren, wie Cholsäure und Chenodesoxycholsäure, zu sekundären Gallensäuren umgewandelt. Vor allem Desoxycholsäure und Lithocholsäure haben im Tierexperiment tumorpromovierende Wirkungen erkennen lassen. Auch verschiedene mehrfach ungesättigte diätetische Fettsäu-

7 Der Gastrointestinaltrakt – Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 361

ren zeigen eine solche Wirkung. Da die Abgabe von Gallensäuren in den Darm proportional zur Fettzufuhr ansteigt, werden in der Folge auch vermehrt sekundäre Gallensäuren gebildet. Darin wird ein wichtiges ätiologisches Bindeglied zwischen dem Entstehen von Colonkarzinomen und einer hohen Zufuhr von Nahrungsfett gesehen. Protektive Wirkungen werden dagegen den kurzkettigen Fettsäuren, primär dem Butyrat zugeschrieben. Mit Gesamtkonzentrationen von bis zu 100 mmol × L–1 stellen die kurzkettigen Fettsäuren Butyrat, Proprionat und Acetat die Hauptmetaboliten des mikrobiellen Stoffwechsels im Dickdarm dar. Ihre hohe Konzentration führt dazu, dass der pH-Wert im Lumen auf Werte unter 6,5 absinken kann. Das Verhältnis der kurzkettigen Fettsäuren zueinander kann durch die Qualität der fermentierbaren Substrate verändert werden. So können resistente Stärken die Butyratbildung begünstigen, während Pektin vor allem die Acetatbildung fördert. Butyrat weist ungewöhnliche Wirkungen am Dickdarmepithel auf. So fördert es in normalen Kryptenzellen des Colons die Zellproliferation, reduziert die Differenzierungsprozesse und unterdrückt die Apoptose. Darüber hinaus ist es ein bevorzugtes Energiesubstrat im Stoffwechsel der Colonocyten. In Colontumorzellen kann es dagegen die Zellteilungsrate reduzieren, die Differenzierung fördern und zum Beispiel die Expression mutierter Protooncogene vermindern. Damit schützt es in seiner Gesamtheit vor einer weiteren Progression des Tumors. Die kurzkettigen Fettsäuren werden im Dickdarm durch Prozesse der nicht-ionischen Diffusion und über Anionenaustauschvorgänge resorbiert. Während Butyrat vorwiegend in den Colonocyten metabolisch verwertet wird, stehen Acetat und Propionat auch peripheren Geweben als Energiesubstrate zur Verfügung. Die Bedeutung der Fermentationsprodukte an der Gesamtenergiezufuhr des Menschen kann mit etwa 2–10 %, je nach Art und Menge der fermentierbaren Substrate, angesetzt werden. Der Inhalt des Dickdarms beträgt etwa 300 bis 500 ml und wird durch knetende Bewegungen gewendet, durchmischt und außerdem weitertransportiert. Gleichzeitig wird er durch die Wasserresorption langsam eingedickt. Drei- bis viermal am Tag wird ein Teil des Inhalts durch massive Kontraktionen von Caecum und proximalem Colon in das Colon descendens und das Rectum befördert. Dazu tragen neben langsamen peristaltischen Wellen der Ringmuskulatur über kürzere Darmabschnitte auch vom Caecum ausgehende und bis zum Sigmoid ziehende peristaltische Wellen bei. Der in Fäzes umgewandelte Inhalt löst im Rectum einen Defäkationsreflex aus, dessen nervöses Zentrum im Rückenmark liegt. Ist der Reflex eingeleitet und wird er nicht spezifisch gehemmt, kommt es zum Defäkationsakt, an dem koordinierte Kontraktionen willkürlicher und unwillkürlicher Muskeln beteiligt sind.

8

Das Blut – Transportsystem und Vermittler der Homöostase

Das Volumen des Blutes nimmt bei Männern etwa 7 %, bei Frauen etwa 8 % des gesamten Flüssigkeitsraumes ein und beträgt bei einem Erwachsenen etwa fünf Liter. Dieses „flüssige Organ“ zirkuliert in einem geschlossenen Konvektionssystem, dem Kreislauf. Das Funktionsprinzip des Blutkreislaufs beruht auf der Erzeugung eines Druckgefälles zwischen Arterien und Venen, das die Strömung innerhalb des Gefäßsystems unterhält. Eine der Hauptaufgaben des Blutkreislaufs, der alle Organe miteinander verbindet, ist der schnelle Substanztransport über weite Strecken. Die Diffusion allein würde bei Lebewesen von der Größe des Menschen die Verteilung der Atemgase – des Sauerstoffs und Kohlendioxids –, der Substrate, Metaboliten und Endprodukte des Stoffwechsels sowie der Signalträger nicht im Entferntesten gewährleisten. Die Distribution der Substanzen bedarf der viel effektiveren Konvektion. Der Stoffaustausch zwischen dem Blut und den Zellen der Organe über die relativ geringfügigen Distanzen des interstitiellen Raumes kommt dagegen hauptsächlich durch Diffusion zustande. Die Transportfunktion des Blutes ist untrennbar mit der Aufgabe verbunden, für ein stabiles inneres Milieu zu sorgen. Das Blut ist einer der Hauptträger der homöostatischen* Regulationsmechanismen des Körpers. Neben der zentralen Rolle als Trägermedium für die humorale Kommunikation nimmt das Blut erheblichen Anteil an der Regulation des Wasserhaushaltes und der Körpertemperatur. Weiterhin bestreitet es wesentliche Teile der Abwehrreaktionen. Diese Funktionen sind jedoch nicht Gegenstand dieses Kapitels. Ebenso unberücksichtigt bleibt die Blutkoagulation, die als Selbstschutz der Bewahrung des Blutbestandes dient.

8.1 Das Blut ist ein sehr effektives Verteilersystem Der Stofftransport über das zirkulierende Blut zeichnet sich durch eine außerordentliche Effektivität aus. Der wesentliche Teil des Austausches zwischen dem Blut und dem Interstitialraum findet im Bereich der terminalen Strombahn, auch Mikrozirkulation genannt, statt, wo das Blut eine relativ geringe Strömungsgeschwindigkeit hat. Zur Mikrozirkulation werden alle Blutgefäße gerechnet, deren Durchmesser kleiner als 30 bis 50 μm ist, das heißt die terminalen Arteriolen, die Metaarteriolen, die Kapillaren, die postkapillären Venolen und die Sammelvenolen. Ihre Wände sind relativ dünn. Sie bieten für den Austausch eine sehr große Oberfläche, die etwa dreimal so groß ist wie die des Epithels im Magendarmtrakt (Abschnitt 7.4) und zehnmal so groß wie die Oberfläche aller Alveolen der Lunge. * Homöostase = Systemeigenschaft von Zellen beziehungsweise Organismen, die die Gesamtheit der endogenen Regelvorgänge, die für ein stabiles inneres Milieu sorgen, umfasst. (Quelle: Lexikon der Biochemie und Molekularbiologie (1991) Band 2; S. 139)

364

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Prinzipiell verbindet der Blutkreislauf mehr oder minder direkt alle Zellen des Organismus miteinander. Die Gefäßdichte ist jedoch in den einzelnen Geweben unterschiedlich, wodurch auch der maximal mögliche Stoffaustausch verschieden ist. Im allgemeinen korreliert die Kapillardichte mit der Stoffwechselaktivität der Organe, was besonders für die Sauerstoffversorgung, aber auch für die Versorgung mit energetisch verwertbaren Substraten bedeutsam ist. Eine längerfristige, funktionelle Beanspruchung ruft – im Sinne einer Adaptation – in einigen Organen ein vermehrtes Wachstum des Gefäßsystems hervor. Zur Erfüllung der Aufgabe als Vermittler von Stoffaustausch und Homöostase müssen bestimmte Substanzen den Blutkreislauf selektiv verlassen beziehungsweise in ihn eintreten können. Für den Durchtritt von Substanzen durch die Gefäßwand stellt das Gefäßendothel die wichtigste Barriere dar, dessen Struktur und Durchlässigkeit in verschiedenen Organen unterschiedlich sein kann. Die entscheidenden Austauschvorgänge durch die Gefäßwand sind vorwiegend passiv. So können Sauerstoff und Kohlendioxid entlang dem Konzentrationsgradienten ungehindert durch die Gefäßwand in die Gewebe und in die andere Richtung diffundieren. Aktive Transportvorgänge, die an Epithelien von Darm (Abschnitt 7.6 bis 7.8) und Nierentubuli (Abschnitt 12.2.2) von großer Bedeutung sind, finden am Endothel nur begrenzt statt. Sie sind für den Substanzaustausch nur dort wesentlich, wo die Gefäßwand ausgeprägt undurchlässig ist, und damit der Transport stark behindert wird. Dies ist insbesondere bei der Blut-HirnSchranke des Gehirns der Fall. Für den Durchtritt von Substanzen ist die Dicke und die Feinstruktur des Endothels ausschlaggebend. Wie in Abbildung 8.1 skizziert, gibt es mehrere Möglichkeiten zur Überwindung der Barriere des Endothels. Lipidlösliche Substanzen durchdringen ohne weiteres die luminale und kontraluminale Membran der Endothelzelle, sie werden

Passage durch Endocytose/Exocytose

Passage durch Fenestration mit Diaphragma parazelluläre Passage transzelluläre Passage lipidlöslicher Substanzen Endothelzelle Basalmembran

8.1

Möglichkeiten des Substanzdurchtritts durch das Kapillarendothel

8 Das Blut – Transportsystem und Vermittler der Homöostase

Kapillare

Pivas

365

iF

Interstitium

PiF

8.2

ivas

Treibende Kräfte für die Flüssigkeitsbewegung über die Kapillarwand P = hydrostatischer Druck; π = kolloidosmotischer Druck; ivas = intravasal; iF = interstitiell

transzellulär transportiert. Für wasserlösliche Moleküle und Ionen kommt die parazelluläre Passage durch die Räume zwischen den Endothelzellen in Frage, deren Durchmesser je nach Endotheltyp mit zwei bis fünf nm angenommen wird. Größere „funktionelle Poren“ mit einem Durchmesser von 20 bis 80 nm sind die Fenestrationen mit einem halbdurchlässigen Diaphragma, deren Anzahl in Richtung auf das venöse Kapillarende zunimmt. Schließlich kommt auch ein transzellulärer Stofftransport durch endocytotische beziehungsweise exocytotische Vesikel in Frage. Die Druckverhältnisse im Blutgefäßsystem sind ebenfalls von großer Bedeutung, insbesondere für die Bewegung des Wassers und der darin gelösten Substanzen. Treibende Kräfte für den Wasserfluss durch die „funktionellen Poren“ der Kapillarwand sind hydrostatische und kolloidosmotische (onkotische) Druckdifferenzen über die Gefäßwand. Wie in Abbildung 8.2 skizziert, ist der intravasale hydrostatische Druck (Pivas) – der durch die Herztätigkeit erzeugt wird – normalerweise viel höher als der hydrostatische Druck in der interstitiellen Flüssigkeit (PiF). Dadurch würde die Blutflüssigkeit durch die für Wasser relativ durchlässige Gefäßwand in das extravasale Gewebe „versickern“. Dass dies nicht eintritt, ist der Tatsache zuzuschreiben, dass der hydrostatischen Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenseite der Kapillarwand die kolloidosmotische Druckdifferenz entgegensteht. Der intravasale kolloidosmotische Druck (πivas) wird durch die Plasmaproteine (Abschnitt 8.3.1) hervorgerufen, für die die Kapillarwand eine wirksame Barriere darstellt. Die in der interstitiellen Flüssigkeit ebenfalls vorhandenen Proteine üben entsprechend ihrer niedrigeren Konzentration einen geringeren kolloidosmotischen Druck aus. Die transmurale Flüssigkeitsströmung, die als Folge ungleicher hydrostatischer und kolloidosmotischer Kräfte entsteht, wird als Filtration bezeichnet. Der effektive Filtrationsdruck berechnet sich aus Gleichung 8.1 V/t = (Pivas + πiF – PiF – πivas) × K

(Gl 8.1)

wobei V/t = Volumen pro Zeiteinheit; P = hydrostatischer Druck; π = kolloidosmotischer Druck; ivas = intravasal; iF = interstitielle Flüssigkeit und K = Filtrationskoeffizient ist. Der Filtrationskoeffizient K ist für Kapillaren mit großen funktionellen Poren zum Beispiel in der Leber groß, bei Gehirnkapillaren dagegen klein. Ist die Filtration gewebewärts gerichtet, spricht man von Auswärtsfiltration. Die lumenwärts gerichtete Strömung wird Einwärtsfiltration oder Rückresorption (Reabsorption) genannt. Das normalerweise geringfügige Überwiegen der Auswärtsfiltration gegenüber der Einwärtsfiltration wird durch den Lymphfluss ausgeglichen.

366

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Der kolloidosmotische Druck des Blutplasmas ist im wesentlichen von der Proteinkonzentration des Plasmas abhängig. Bei Proteinmangel jeglicher Genese fällt die Konzentration der Plasmaproteine und damit auch der intravasale kolloidosmotische Druck ab. Dies bewirkt, dass Wasser im Überschuss in das Gewebe abgegeben wird, und es kommt zum Eiweißmangelödem. Durch die Gefäßwand werden je nach Art der Substanz sehr unterschiedliche Stoffmengen transportiert. Im gesamten Kreislaufsystem werden pro Tag etwa 75 000 Liter Wasser in beide Richtungen durch Diffusion ausgetauscht. Außerdem kann das Wasser durch Filtration in das Gewebe übertreten. Die filtrierte Menge ist mit 20 Liter pro Tag relativ gering im Vergleich zur diffundierenden Wassermenge. Mit dem Wasserstrom diffundieren auch im Wasser gelöste Moleküle hin und her. Man errechnete, dass etwa 20 000 g Glucose pro Tag in beide Richtungen „fließt“. Allerdings bewegen sich im Tagesdurchschnitt nur etwa 400 g Glucose in die Blutbahn zurück; der überwiegende Anteil wird von den Geweben zurückgehalten und verstoffwechselt.

8.2 Das Blut lässt sich in zwei Hauptfraktionen trennen Zentrifugiert man ungerinnbar gemachtes Blut scharf ab, so erhält man zwei Fraktionen: Eine eiweißreiche, flüssige Fraktion, das Blutplasma, und eine Fraktion aus korpuskulären Elementen, die die Blutzellen enthält. Abbildung 8.3 enthält quantitative Daten zur Zusammensetzung der beiden Fraktionen. Wie aus den Angaben der x- und y-Achse errechnet werden kann, beträgt das Gewicht von einem Liter Blut etwa 1,07 kg.

Blut (kg) 5

2,75 l Plasma

4

11

15 x 10 Thrombocyten

3

10

3 x 10 Leukocyten

2 12

25 x 10 Erythrocyten

1

0

8.3

0

2

Quantitative Zusammensetzung des Blutes

4

(Liter)

8 Das Blut – Transportsystem und Vermittler der Homöostase

367

Der prozentuale Anteil der Blutzellen – zu 99 % Erythrocyten – am Blutvolumen wird als Hämatokrit bezeichnet und beträgt beim Mann durchschnittlich 45 %, bei der Frau 42 %. Aus Abbildung 8.3 lässt sich ein Hämatokritwert von etwa 45 % ermitteln. Lässt man das Blut vor dem Zentrifugieren gerinnen, so erhält man durch anschließende Zentrifugation das Blutserum als flüssige Fraktion. Es unterscheidet sich vom Blutplasma lediglich durch das Fehlen des Fibrinogens. Dieses Protein bildet bei der Gerinnung ein faseriges Netzwerk aus unlöslichen Polymeren, das geringe Mengen weiterer unlöslich gewordener Gerinnungsfaktoren einschließt.

8.3 Das Blutplasma enthält eine große Vielfalt unterschiedlicher Substanzen Sowohl das Blutplasma als auch die Blutzellen übernehmen den Stofftransport. Erythrocyten übernehmen den Transport von Sauerstoff und Kohlendioxid. Das Blutplasma transportiert lösliche Substanzen, zum Beispiel Nährstoffe, Arzneimittel oder zufällig inkorporierte Xenobiotica. Sie können aber ebenso gut endogenen Ursprungs sein und sollen beispielsweise als Hormone der Informationsübermittlung dienen, oder als Stoffwechselendprodukte der Exkretion zugeführt werden. Wie Abbildung 8.4 zeigt, haben drei Liter Blutplasma ein Gewicht von 2,75 kg. Das von eins abweichende spezifische Gewicht des Plasmas ist bedingt durch die spezifisch leichten, suspendierten Lipidfraktionen. Das Plasmawasser bildet den größten Anteil des Blutplasmas, gefolgt vom Proteinanteil, der mit 190 g etwa 6,9 Gewichtsprozent

Plasma (kg) 2,5 2585 g Wasser

2

1,5 25 g Elektrolyte und niedermolekulare organische Substanzen

1

0,5

0

8.4

190 g Protein 0

2

Quantitative Zusammensetzung des Blutplasmas

(Liter)

368

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

ausmacht. Elektrolyte und niedermolekulare organische Substanzen sind in 2,75 kg Plasma mit etwa 25 g vertreten. Die im Blutplasma enthaltenen Substanzen können in ihm gelöst, suspendiert oder an Plasmabestandteile, insbesondere an Proteine gebunden, vorkommen.

8.3.1 Die einzelnen Plasmaproteine haben verschiedene biologische Funktionen Die Konzentration der Proteine im Plasma liegt zwischen 60 und 80 g × L–1. Somit ergibt sich bei drei Liter Blutplasma eine Proteinmenge zwischen 180 und 240 g, die in diesem Kompartiment zirkuliert. Die Plasmaproteine bilden nur einen Teil des extrazellulären Proteinbestandes. Der sehr viel größere interstitielle Flüssigkeitsraum (Abschnitt 4.6.2) enthält – bei wesentlich niedrigerer Proteinkonzentration – ungefähr weitere 150 g Protein. Somit ergibt sich eine Gesamtmenge von rund 400 g Protein, die extrazellulär lokalisiert ist. Setzt man den ungefähren Proteinbestand des Erwachsenen mit 10 kg an, so entfallen etwa 4 % dieser Proteinmenge auf den extrazellulären Raum. In Anbetracht zahlreicher essentieller Funktionen, die den Proteinen des Blutplasmas zukommen, ist es nicht überraschend, dass zwischen ihrer Biosynthese und dem Abbau beziehungsweise der Eliminierung ein genau geregeltes dynamisches Gleichgewicht aufrechterhalten wird. Zur Ermittlung des Plasmaproteinstatus wird üblicherweise die Proteinkonzentration bestimmt. Schwankungen des Plasmawassergehaltes können hierbei zu falsch positiven oder falsch negativen Resultaten führen. Es ist daher unerlässlich, dass gleichzeitig der Hämatokritwert (Abschnitt 8.2) ermittelt wird. Für diagnostische Zwecke ist es häufig nicht ausreichend, die Proteinkonzentration im Plasma zu bestimmen, sondern es ist in Anbetracht der sehr unterschiedlichen Funktionen der einzelnen Proteinarten notwendig, sie differenziert zu quantifizieren. Das Blutplasma enthält mindestens hundert verschiedene Plasmaproteine. Etwa die Hälfte von ihnen ist bereits mit molekularbiologischen Methoden charakterisiert worden. Tabelle 8.1 enthält eine Auswahl der auch quantitativ bedeutenden Plasmaproteine. Mittels Trägerelektrophorese, die in jedem klinischen Laboratorium routinemäßig durchgeführt wird, lassen sie sich in fünf Fraktionen auftrennen: Albumine, α1-Globuline, α2-Globuline, β-Globuline und γ -Globuline (Abbildung 8.5). Mit einem Anteil von 60 % überwiegt die Fraktion der Albumine stark gegenüber den übrigen Fraktionen. Zur weiteren Trennung der Proteine dient vor allem die Immunpräzipitation. Durch die Elektrophorese werden die Proteine nach ihrer elektrischen Nettoladung und der Teilchengröße getrennt, wobei die Albuminfraktion infolge ihres negativen Ladungsüberschusses zur Anode wandert. Bei der anschließenden Immunpräzipitation handelt es sich um Antigen-Antikörper-Reaktionen. Durch die Kombination beider Methoden lassen sich etwa 40 unterschiedliche Proteine nachweisen und anschließend beispielsweise durch radioimmunologische (RIA) oder enzymimmunologische (EIA) Bestimmung quantifizieren. Bei der elektrophoretischen Trennung erscheint vor dem Hauptbestandteil der Albuminfraktion eine kleine Menge eines Proteins, das Transthyretin, das früher als thyroxinbindendes Präalbumin bezeichnet wurde. Der Name weist darauf hin, dass dieses Protein das Schilddrüsenhormon T4 spezifisch, wenn auch mit geringer Affinität bindet. Die Bindung des T4 an dieses – und auch weitere Proteine – dient der Depotbildung von Schilddrüsenhormonen im Blut. Das Hormon wird bei Bedarf von den

8 Das Blut – Transportsystem und Vermittler der Homöostase

Transcortin

369

Immunglobuline

Transcobalamin

Fibrinogen

Prothrombin

Haptoglobin β-Lipoproteine Transferrin α2-Makroglobulin Plasminogen

Albumin

α1

α a22

Anode 8.5

β

γ

Kathode

Elektropherogramm der Plasmaproteine

Bindungsproteinen in der biologisch wirksamen freien Form abgegeben (Abschnitt 1.4.4.3). Bei sehr hoher Konzentration der Schilddrüsenhormone im Blut werden sie auch vom Albumin gebunden. Das Albumin, dessen Konzentration im Blutplasma die der übrigen Proteine bei weitem übertrifft, ist im Gegensatz zu allen anderen Eiweißen des Plasmas kein Glykoprotein (Tabelle 8.1). Syntheseort des Albumins – und auch der meisten anderen Plasmaproteine – ist die Leber. Die täglich synthetisierte Menge dieses Proteins beträgt beim Mann 120 bis 200 bei der Frau 120 bis150 mg pro kg Körpergewicht. Das Albumin wird als Präproprotein synthetisiert. Die Entfernung des Signalpeptids erfolgt beim Durchtritt in die Zisternen des endoplasmatischen Reticulums. Während des Sekretionsprozesses wird vom N-terminalen Ende ein Hexapeptid abgespalten. Das so entstandene „reife“ Albumin besteht aus 585 Aminosäuren und enthält 17 Disulfidbrücken. Bei der Faltung des Albumins entsteht ein dicht gepacktes Molekül von ellipsoider Form, das zur Viskosität des Blutes wenig beiträgt. Das Albumin, dessen biologische Halbwertszeit auf 17 bis 27 Tage geschätzt wird, macht einen wesentlichen Teil (etwa 25 %) der von den Hepatocyten synthetisierten und sezernierten Proteine aus. Die Albuminkonzentration des Plasmas gilt daher als Parameter zur Beurteilung der Leberfuktion. Die Syntheserate hängt allerdings auch von äußeren Faktoren, vor allem von der Proteinversorgung ab. Außerdem wird die Biosynthese des Albumins, deren Regulation nicht vollends geklärt ist, auch hormonell gesteuert. Im Plasma befinden sich nur etwa 40 % des gesamten Albumins, der Rest verteilt sich auf die interstitiellen Flüssigkeitsräume, mit besonderer Bevorzugung des Hautgewebes. In kleinen Mengen kommt Albumin in jeder Körperflüssigkeit vor. Der

Transthyretin Albumin

saures α1-Glykoprotein (Orosomucoid) α1-Antitrypsin α1-Lipoprotein (high density lipoprotein) Transcortin Thyroxin-bindendes Globulin α1-Antichymotrypsin Coeruloplasmin (Ferrioxidase I) α2-Haptoglobin α2-Makroglobulin Serum-Cholinesterase (Pseudocholinesterase) β-Lipoprotein (low density lipoprotein) Transferrin (Siderophilin) Fibrinogen IgG-Globulin IgA-Globulin IgM-Globulin IgD-Globulin IgE-Globulin

Albumine (60)

α1-Globuline (4)

γ-Globuline (16)

β-Globuline (12)

α2-Globuline (8)

Einzelne Vertreter

Fraktion (Prozent)

2,0–4,5 8,0–18,0 0,9–4,5 0,6–2,8 270 kDa. Ein einziges Gen codiert die gesamte Sequenz des Polypeptids. Durch Klonierungs- und Sequenzierungstechniken ist es gelungen, die einzelnen Domänen den 43 Exons des Gens zuzuordnen. Man geht davon aus, dass das Gen des tierischen Fettsäure-Synthase-Komplexes im Verlauf der Evolution durch Genfusion entstanden ist, da Mikroorganismen für jedes Enzym ein eigenes Gen besitzen.

10.2.1.2 Die gesamte Reaktionssequenz der Fettsäuresynthese katalysiert der Multienzymkomplex Der Fettsäure-Synthase-Komplex katalysiert sämtliche Reaktionsschritte, die zur Entstehung gesättigter, geradzahliger Fettsäuren führen. Prinzipiell handelt es sich bei dieser Synthese um eine sequentielle Verlängerung der Kohlenstoffkette der Fettsäuren um jeweils zwei Kohlenstoffatome, die ursprünglich vom Acetyl-CoA stammen. Als aktivierter Donor dieser C2-Einheiten tritt Malonyl-ACP, das heißt, eine C-3-Verbindung, auf. Somit ist die Fettsäuresynthese keine Umkehr der β-Oxidation, da bei diesem Abbauweg ausschließlich Acetyl-CoA entsteht. Die Bildung einer neuen C-C-Bindung während der Synthese wird durch die Abspaltung der Carboxylgruppe des MalonylCoA angetrieben. Hierdurch wird die thermodynamische Barriere, die die Kondensation zweier Acetyl-CoA-Moleküle darstellt, überwunden. Das weitaus überwiegende Produkt der Fettsäuresynthese ist beim Menschen eine C16-Fettsäure, die Palmitinsäure. Die Summengleichung der Palmitinsynthese lautet: Acetyl-CoA + 7 Malonyl-CoA + 14 NADPH + 14 H+ → Palmitinsäure + 7 CO2 + 8 CoA + 14 NADP+ + 6 H2O

(Gl. 10.3)

Zur Biosynthese der Fettsäuren ist ein „Starter“ notwendig. Wird die Synthese der Kette gerade begonnen, fungiert das Acetyl-CoA als solcher, bei Verlängerung einer begonnenen Kette dagegen das bereits synthetisierte Acyl-CoA. Die Synthese einer Fettsäurekette ist in Abbildung 10.3 dargestellt. Im Initialschritt werden die Acetyl- und die Malonylgruppe aus ihren jeweiligen Coenzym A-Bindungen freigesetzt und auf spezifische Sulfhydrylgruppen der Fettsäure-Synthase übertragen. Der Fettsäure-Synthase-

10 Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels

Acetyl-CoA

ACP-SH

499

Malonyl-CoA

ACP-SH

O

O

C

S

CoA

CH3

O

1

C

CoA-SH Palmitinsäure H CH3

H

H

HH

HH

HH

HH

HH

O S ACP

H O

C C C C C C C C C C C C C C H H H H H H H H H H H H H H

OH

C

ACP -SH

7

H

S ACP

CoA-SH O

Cys

O

C

CH3

CO2

CH3

C

1 2

H

H +

NADPH + H

nächster Cyclus

4 NADP

nach 7 Cyclen

= [ACP]-S-Acetyl-Transferase = [ACP]-S-Malonyl-Transferase

3

= β-Ketoacyl-[ACP]-Synthase

4

= β-Ketoacyl-[ACP]-Reductase

5

= β-Hydroxypalmitoyl-[ACP]-

6

-Dehydratase = Enoyl-[ACP]-Reductase

7

S ACP

C

H2O

= Protein

H

H

3 S

= Acyl-[ACP]-Hydrolase

H H

O

C

C

CH3 H

H OH

O

C

S ACP

CH3

C

H

H

C

S ACP

C H

NADP

6

5

+

NADPH + H

H

O

C

C

S ACP

HOH

CH3 C H

10.3

S CoA

C

2

C

3

C

C

HOOC

CH3

H O

C

HOOC

Reaktionsfolge der Biosynthese langkettiger, geradzahliger, gesättigter Fettsäuren

Komplex besitzt zwei für die Funktion essentielle SH-Gruppen: Eine sogenannte zentrale SH-Gruppe, die zum 4’-Phosphopanthetein gehört, das mit dem Acylcarrierprotein (ACP) des Fettsäure-Synthase-Komplexes verknüpft ist. Die zweite, die periphere SH-Gruppe, liefert ein Cysteylrest, der sich im aktiven Zentrum der kondensierenden Domäne des Komplexes, der Ketoacyl-Synthase, befindet. Die Translokation der Acetylgruppe geschieht in zwei Teilschritten. Zunächst wird die Acetylgruppe durch die [ACP]-S-Acetyl-Transferase auf die SH-Gruppe des ACP übertragen (1) und anschließend auf die SH-Gruppe im aktiven Zentrum der β-Ketoacyl-[ACP]-Synthase (3). Der zweite Schritt wird als Nebenreaktion durch die Synthase katalysiert. Der Malonylrest wird durch die [ACP]-S-Malonyl-Transferase auf die SHGruppe des ACP der anderen Kette des Dimers übertragen (2). Möglicherweise werden der Acetyl-Transfer und der Malonyl-Transfer durch ein und dieselbe Enzymdomäne katalysiert, weshalb diese auch als Malonyl-Acetyl-Transferase bezeichnet wird. Anschließend findet die Kondensation statt, indem die Acetyleinheit mit dem C-2Teil der Malonyleinheit am ACP unter gleichzeitiger Freisetzung von CO2 verknüpft wird. Diese Schritte katalysiert die β-Ketoacyl-[ACP]-Synthase (3) und es entsteht ein Acetoacetyl-S-Phosphopantetheinrest am ACP. Während der weiteren Reaktionsschritte verbleibt die Acetoacetylgruppe am ACP. Es folgen die Reduktion dieses Restes mittels NADPH durch die β-Ketoacyl-[ACP]-Reductase (4) und eine Wasserabspaltung durch die β-Hydroxypalmitoyl-[ACP]-Dehydratase (5). Dabei entsteht ein Δ2Enoylrest, der durch die Enoyl-[ACP]-Reductase (6) ebenfalls mittels NADPH zu einem gesättigten Acylrest reduziert wird.

500

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Im Falle einer Kettenverlängerung dient dieser Rest als „Starter“ und wird von der zentralen SH-Gruppe auf die periphere SH-Gruppe des Cysteylrestes übertragen. Die nun frei gewordene zentrale SH-Gruppe des ACP übernimmt einen neuen Malonylrest und der Cyclus beginnt von neuem. Die Verlängerung durch den Fettsäure-SynthaseKomplex stoppt meistens nach der Bildung von Palmitinsäure (C16), selten von Stearinsäure (C18). Die langkettige, geradzahlige, gesättigte Fettsäure wird aus ihrer Thioesterbindung am 4’-Phosphopanthetein durch eine Acyl-[ACP]-Hydrolase (7) als freie Fettsäure abgespalten. Die beiden ersten Methyl-terminalen Kohlenstoffatome stammen vom Acetyl-CoA, die restlichen vom Malonyl-CoA ab. Warum die Kettenverlängerung der Fettsäuren beim Menschen nach sieben oder acht Cyclen und nicht früher oder später beendet wird, bedarf einer Erklärung. Experimentelle Befunde weisen darauf hin, dass die Elongation von Fettsäureketten mit mittlerer Länge wesentlich effektiver vor sich geht, als die ersten Schritte der Kondensation. Dies begünstigt das Fortschreiten der Reaktion in Richtung weiterer Kettenverlängerung. Erreicht die Kette eine Länge von 16 oder höchstens 18 Kohlenstoffatomen, treten im Reaktionsraum zwischen den beiden Untereinheiten des Fettsäure-SynthaseKomplexes (Abschnitt 10.2.1.1) sterische Bedingungen auf, die eine weitere Verlängerung der Kette behindern und die Abspaltung der Palmitin- beziehungsweise Stearinsäure durch die Acyl-[ACP]-Hydrolase erleichtern. Fettsäuren mit kurzen und mittellangen Kohlenstoffketten spielen für die Ernährung des Menschen durchaus eine Rolle. Sie sind jedoch fast ausschließlich exogenen Ursprungs, das heißt sie werden mit der Nahrung zugeführt. Viele von ihnen sind Syntheseprodukte von Mikroorganismen, die entweder im Pansen von Wiederkäuern oder in der Dickdarmflora des Menschen vorkommen. Auf die diätetische Bedeutung der Triglyceride mit mittelkettigen C-8 bis C-11-Fettsäuren wurde bereits in Abschnitt 7.6.2 hingewiesen. Eine Verlängerung der Fettsäurekette durch den Fettsäure-Synthase-Komplex ist, wie erwähnt, nicht möglich. Es existiert jedoch auch beim Menschen ein mikrosomales Fettsäure-Elongase-System, das dazu befähigt ist. Die Enzyme dieses Systems sind auf der cytosolischen Seite des glatten endoplasmatischen Reticulums lokalisiert. Auch dieses System benutzt Malonyl-CoA als C2-Donor bei der Verlängerung von CoA-gebundenen Fettsäuren. Die Decarboxylierung des Malonyl-CoA treibt die Kondensation dieser Einheiten an. Die Verlängerung des C-18 Stearyl-CoA zu C-22- und C-24Fettsäuren spielt bei der Myelinisierung im ZNS eine Rolle, da diese langkettigen Fettsäuren Bestandteile der Sphingolipide (Abschnitt 1.1.1.1) sind.

10.2.1.3 Einfach ungesättigte Fettsäuren werden aus gesättigten durch Desaturierung gewonnen Es ist bekannt, dass die Membranfluidität von der Zahl der Doppelbindungen und der Länge der Fettsäuren in den Membranlipiden abhängt. Die Regulation der Membranfluidität ist von zentraler Bedeutung für alle biochemischen Prozesse, die an oder über Membranen stattfinden. Daher benötigt jede Zelle ungesättigte Fettsäuren. Wie in Abschnitt 4.2.1 bereits erwähnt, können ungesättigte Fettsäuren eine Doppelbindung oder mehrere Doppelbindungen haben und damit einfach oder mehrfach ungesättigt sein. In Tabelle 10.1 sind die für den Menschen wichtigen ungesättigten Fettsäuren aufgelistet.

10 Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels

501

Tabelle 10.1: Für den menschlichen Organismus wichtige ungesättigte Fettsäuren Trivialname

Summenformel

Vorkommen

Palmitoleinsäure

C16H30O2

Depotfett, Milchfett, Pflanzenöle

Ölsäure

C18H34O2

alle Fette (Hauptbestandteil)

Nervonsäure

C24H46O2

Cerebroside

Einfach ungesättigte Fettsäuren

Mehrfach ungesättigte Fettsäuren Linolsäure (C18:2)

C18H32O2

Pflanzenöle, Depotfett

Linolensäure (C18:3)

C18H30O2

Pflanzenöle

Arachidonsäure (C20:4)

C20H32O2

Fischöle, Phosphoglyceride

Nur zwei der einfach ungesättigten Fettsäuren, die C-16 Palmitoleinsäure und die C-18 Ölsäure, kann der Mensch aus den entsprechenden gesättigten Fettsäuren, das heißt aus Palmitin- beziehungsweise Stearinsäure durch Desaturierung herstellen; diese sind also nicht essentiell. Von besonderer quantitativer Bedeutung ist die Ölsäure. Die zweifach ungesättigte Linolsäure und die dreifach ungesättigte Linolensäure sind dagegen absolut essentiell; sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Die Synthese der vierfach ungesättigten Arachidonsäure ist auch beim Menschen durch Kettenverlängerung und Desaturierung der Linolsäure möglich, vorausgesetzt es steht genügend Linolsäure als Ausgangssubstanz zur Verfügung; sie ist also semi-essentiell. Die Synthese der beiden einfach ungesättigten Fettsäuren, Palmitoleinsäure und Ölsäure kann in jedem Organ stattfinden, wenn auch der Hepatocyt die höchste Synthesekapazität aufweist. Abbildung 10.4 veranschaulicht am Beispiel der Entstehung von Oleyl-CoA aus Stearyl-CoA den Reaktionsmechanismus einer Desaturierung. Dabei führt die Acyl-CoA-Desaturase in die Kette der gesättigten Fettsäuren eine einzelne cis-Doppelbindung in der Δ9-Position, das heißt zwischen dem C-9 und dem C-10 (vom Carboxylende aus gerechnet) ein. Die Reaktion verläuft wahrscheinlich nach dem Muster der durch die mischfunktionellen Oxidasen katalysierten Reaktionen. Der genaue Reaktionsablauf ist allerdings nicht vollständig geklärt. Es handelt sich um eine ZweiElektronen-Oxidation, an der das Cytochrom b5 und ein Flavoprotein, die Cytochrom b5-Reductase (in der Abbildung nicht gezeigt), beteiligt sind. Während des gesamten Reaktionsablaufs bleiben die Fettsäuren an der Desaturase gebunden, die sich an der Innenseite des glatten endoplasmatischen Reticulums befindet. Bei der Anlagerung der aktivierten Stearinsäure an das Enzymprotein wird der CoA-Rest abgespalten. Anschließend wird ein 1⁄2 O2 als Hydroxylgruppe am C-9 eingeführt. Im nächsten Schritt werden die OH-Gruppe und ein Wasserstoff in Form von H2O eliminiert. Der zweite Sauerstoff wird mittels NADPH+H+ zu Wasser reduziert. Bei dieser Reaktion findet ein Valenzwechsel des Hämeisens des Cytochrom b5 statt.

502

H C

H

H

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

HH

HH

HH

HH

HH

H O

C C C C C C C C C C C C C C H H H H H HH HH H H H H H

CH3

S-CoA SH

Enzym

Stearyl-CoA SH-CoA H H H H H HH H H H H H O H H C C C C C C C C C C C C C C CH3 C H H H H H H H HH H H H H H

Enzym

S

2Cytb 5 Fe 2+ O2

H H H H OH HH H H H H H O H H C C C C C C C C C C C C C C CH3 C H H H H H H H HH H H H H H

H2O

H CH3

H C

H

HH

H HH

C

HH

HH

C

C C C H H H HH

C

C C

H

C C

HH

HH

C

C C

O

H2O NADPH + H+

SH-CoA

SH

H O

2e-

Fe3+ 2Cytb 5

Enzym

S

2-

NADP+

Enzym

S-CoA

C HH

H

Oleyl-CoA

10.4

Reaktionsmechanismus der Acyl-CoA-Desaturase

10.2.1.4 Die tierische Zelle kann mehrfach ungesättigte Fettsäuren nicht synthetisieren Es ist für die Desaturasen tierischer Zellen charakteristisch, dass sie keine Doppelbindungen in Positionen einführen können, die weiter als neun Kohlenstoffatome von der Carboxylgruppe entfernt liegen. Somit können sie die Linolsäure mit einer Doppelbindung in Position 9 und einer weiteren in Position 12 nicht durch zweifache Desaturierung aus Stearinsäure herstellen. Das gleich gilt für die Linolensäure, die drei Doppelbindungen in den Positionen 9, 12, und 15 aufweist. Die Desaturasen pflanzlicher Zellen sind dagegen hierzu befähigt. Die pflanzlichen Fette sind daher die Quelle dieser für den Menschen essentiellen Fettsäuren.

10.2.1.5 Aus Linolsäure entsteht durch weitere Desaturierung und durch Kettenverlängerung die Arachidonsäure Die vierfach ungesättigte Arachidonsäure, die in die Phospholipide der Plasmamembran integriert ist, ist die Vorstufe der Prostaglandine, Prostacycline, Thromboxane und Leukotriene. Die Biosynthese dieser Eikosanoide und deren vielfältigen Funktionen als Mediatoren wurde in Abschnitt 1.4.7 ausführlich dargestellt. Die Arachidonsäure ist es-

10 Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels

503

O

9

12

Linoleoyl-CoA

Fe 2+

O2

6

9

12

2Cytb 5

S-CoA

C

C

2–

O

2e–

NADP+

H2O

Fe3+ 2Cytb 5

S-CoA

NADPH + H+

O

Malonyl-CoA 2 NADPH + H+

mikrosomale Kettenverlängerung

14

11

2 NADP CoA-SH CO 2

8 C

2Cytb 5

S-CoA

Fe 2+

O O2

14

11

8

Arachidonyl-CoA

10.5

5

2–

O

Fe3+

C

S-CoA

2Cytb 5

2e–

NADP+

H2O NADPH + H+

O

Synthese von Arachidonyl-CoA aus Linoleyl-CoA durch Desaturierung und Kettenverlängerung

sentieller Bestandteil jeder Zellmembran, kann jedoch als Δ5, 8, 11, 14-Fettsäure nur dann von der tierischen Zelle synthetisiert werden, wenn die essentielle Linolsäure als Ausgangssubstanz zur Verfügung steht. Der Verlauf der Synthese der Arachidonsäure aus Linolsäure ist in Abbildung 10.5 dargestellt. Neben der Desaturierung kommt es dabei zu einer Kettenverlängerung um zwei Kohlenstoffatome. In die aktivierte Linolsäure wird zunächst durch die in Abschnitt 10.2.1.3 beschriebene Desaturase-Reaktion eine dritte Doppelbindung in Position 6 eingeführt. Diese Reaktion ist, wie bereits erwähnt, auch in der tierischen Zelle möglich, da sich die einzuführende Doppelbindung vor dem C-9 befindet. Anschließend wird die Kette durch das bereits erwähnte mikrosomale Fettsäure-Elongase-System auf 20 Kohlenstoffatome verlängert. Als Donator der C2-Einheit dient auch in diesem Falle das Malonyl-CoA, die Reduktionsäquivalente stammen vom NADPH+H+. Durch die Verlängerung, die stets vom Carboxylende her erfolgt, verschieben sich die Doppelbindungen in die Positionen Δ8, 11, 14. Anschließend führt die Desaturase die vierte Doppelbindung in Position 5 ein, und Arachidonyl-CoA wird freigesetzt.

10.2.2 Der katabolen und anabolen Verwertung der Fettsäuren geht stets eine Aktivierung voraus Unabhängig davon, ob die Fettsäuren aus endogenen Quellen oder aus der Nahrung stammen, werden sie im Blut an Albumin gebunden transportiert und zwischen den Organen verteilt. Bei der Aufnahme in die Zellen dissoziieren sie vom Transportprotein

504

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

ab und gelangen als freie Fettsäuren in das Cytosol. Als erster Schritt zur Verwertung der Fettsäuren werden sie durch die Acyl-CoA-Synthetase, auch Thiokinase genannt, nach folgender stark exergoner Reaktion aktiviert: Fettsäure + CoA + ATP → Acyl-CoA + AMP + PPi

(Gl. 10.4)

Es handelt sich dabei um eine zweistufige Reaktion: Zunächst reagiert die Carboxylgruppe der Fettsäure mit der α-Phosphatgruppe des ATP unter Bildung von Acyladenylat (Acyl-AMP) und Freisetzung von Pyrophosphat. Die anschließende Spaltung des Pyrophosphates durch Pyrophosphatasen liefert die Energie zur Knüpfung der Thioesterbindung. Es gibt mehrere Isoenzyme der Acyl-CoA-Synthetase, die kurz-, mittellang- und langkettige Fettsäuren als Substrate akzeptieren. Die Aktivierung der Fettsäuren zu Acyl-CoA-Estern ist notwendig, unabhängig davon, ob ihr weiterer Weg katabol oder anabol verläuft, da durch sie die relative Stabilität der C-C-Bindung der Fettsäuren geschwächt wird.

10.2.3 Die Verwertung der Fettsäuren zur Energiegewinnung beginnt mit ihrem intramitochondrialen Abbau zu Acetyl-CoA Der oxidative Abbau langkettiger Fettsäuren zu Acetyl-CoA ist die erste Stufe eines Weges der Energiegewinnung, der für die meisten Organe des Menschen von großer Bedeutung ist. Wie in Abschnitt 5.2 besprochen, werden in der zweiten Stufe dieses Prozesses die aktivierten Acetylreste in den Tricarbonsäurecyclus eingespeist und zu CO2 abgebaut. Die dabei entstandenen Protonen und Elektronen durchlaufen die Atmungskette und setzen die ATP-Synthese in Gang (Abschnitt 5.2.2.2).

10.2.3.1 Die aktivierten Fettsäuren gelangen als Acyl-Carnitin-Ester in den mitochondrialen Matrixraum Die Coenzym-A-Ester langkettiger Fettsäuren können nicht als solche durch die innere Mitochondrienmembran in den Matrixraum gelangen, wo alle Enzyme des Fettsäureabbaus lokalisiert sind. Um die Barriere zu überwinden, werden sie – wie in Abbildung 10.6B dargestellt – im Intermembranraum durch die Carnitin-Acyl-Transferase I, die an die Außenseite der inneren Membran gebunden ist, umverestert. Dabei wird die Acylgruppe von der OH-Gruppe des Carnitins, einer Trimethylammonium-β-Hydroxybuttersäure, unter Bildung eines Acylcarnitins, übernommen, und das Coenzym-A freigesetzt (Abbildung 10.6A). Die innere Membran des Mitochondrions besitzt einen Acyl-Carnitin/Carnitin-Antiporter, der das Acyl-Carnitin in den Matrixraum befördert. Dort katalysiert die Carnitin-Acyl-Transfersase II die Reveresterung der Fettsäure mit Coenzym A. Diese Isoform des Enzyms ist an der Innenseite der inneren Membran lokalisiert. Der Antiporter befördert das frei gewordene Carnitin wieder in den Intermembranraum. Dieser Transport sorgt gleichzeitig für die Trennung des cytosolischen und mitochondrialen Coenzym-A-Pools.

10 Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels

A.

505

Acyl-CoA R

C CH2 HO

O –

O

O

S

CoA

N+

C

CoA-SH

CH

CH2

O R

CH2 H3C

C

C

O

O O–

CH CH2

CH3

CH3

Carnitin-AcylC H3 Transferase

Carnitin

H3C

N+

CH3

CH3

Acylcarnitin

B. IntermembranRaum Acyl-CoA

CoA-SH äußere MitochondrienMembran

CarnitinAcyl-Transferase I 10.6

Carnitin

AcylCarnitin

Carnitin

Acyl-CoA

AcylCarnitin

CoA-SH

innere MitochondrienMembran

CarnitinAcylcarnitinAntiporter

Matrix-Raum CarnitinAcyl-Transferase II

Carnitin-vermittelter Transport langkettiger Fettsäuren in den Matrix-Raum A. Umkehrbare Veresterung des Acylrestes mit Carnitin; B. Der Acyl-Carnitin/Carnitin-Antiport

10.2.3.2 Die β-Oxidation gesättigter Fettsäuren umfasst vier Reaktionsschritte Beim intramitochondrialen Abbau der Fettsäuren handelt es sich um die sukzessive oxidative Abspaltung von Zwei-Kohlenstoffresten ausgehend vom Carboxylende der aktivierten Acylkette. Da sich die Spaltungsstelle jeweils am β-C-Atom der Fettsäuren

506

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

befindet, wird dieser mehrstufige Prozess, der in Abbildung 10.7 dargestellt ist, auch als β -Oxidation bezeichnet. Der erste Schritt der Reaktionsfolge wird von der Acyl-CoA-Dehydrogenase, die als Coenzym FAD enthält, katalysiert. Dabei wird das Acyl-CoA an den C-Atomen 2 und 3 (α und β) unter Bildung eines Enoyl-CoAs dehydriert, und der Wasserstoff auf das FAD übertragen. Das entstandene FADH2 gibt die Reduktionsäquivalente über mehrere

CoA-SH

CoA-SH

10.7

β-Oxidation der Fettsäuren

10 Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels

507

Zwischenschritte an das Ubichinon weiter; sie treten also direkt in die Elektronentransportkette ein (Abschnitt 5.2.2.1; Abbildung 5.7). Das Produkt der ersten Reaktion, das trans-Δ2-Enoyl-CoA, ist der Thioester einer 2,3ungesättigten Fettsäure. Die Enoyl-CoA-Hydratase führt ein H2O in diese trans-isomere Fettsäure ein, wodurch das L-β-Hydroxyacyl-CoA entsteht. Die Dehydrierung dieses Produktes katalysiert die L-β-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase. Bei dieser zweiten Dehydrierung wird der Wasserstoff auf NAD+ übertragen. Das dabei entstandene β-Ketoacyl-CoA ist Substrat der β -Ketothiolase, die als Endprodukt eines Durchgangs durch die β-Oxidation das Acetyl-CoA abspaltet. Die β-Ketothiolase katalysiert eine thiolytische Spaltung. Das bedeutet, dass auch der nach der Abgabe des Acetyl-CoA zurückbleibende Rest der Fettsäure ein CoenzymA trägt. Er kann somit ohne weitere Aktivierung in den nächsten Cyclus der β-Oxidation eintreten. Die intramitochondrial lokalisierten Enzyme der β-Oxidation werden nicht durch die mitochondriale DNA, sondern im Zellkern codiert. Sie werden im Cytosol in Form von Vorläuferproteinen exprimiert, die am N-terminalen Ende der Peptidkette eine Signalsequenz tragen, die die Translokation in den Matrixraum des Mitochondrions ermöglicht (Abschnitt 1.2.6.7).

10.2.3.3 Für den Abbau ungesättigter Fettsäuren sind Modifikationen im Ablauf der β-Oxidation notwendig Die beschriebene Reaktionsfolge der β-Oxidation trifft unverändert nur für gesättigte Fettsäuren zu. Die Kette der einfach und mehrfach ungesättigten Fettsäuren wird durch die Enzyme der β-Oxidation nur soweit abgebaut, bis – je nach Lage der Doppelbindungen – entweder ein Δ3-cis-Enoyl-CoA oder ein Δ2-cis-Enoyl-CoA entstanden ist. Da die Enoyl-CoA-Hydratase die Δ3-cis-Konfiguration des Substrates nicht umsetzt, wird dieses durch eine Isomerase in Δ2-trans-Enoyl-CoA umgewandelt. Dieses ist das normale Substrat der Hydratase und wird als L-(+)-β-Hydroxyacyl-CoA dem weiteren Abbau zugeführt (Abbildung 10.8A). Dieser Fall tritt beispielsweise beim Abbau der Ölsäure auf, nachdem drei Acetyl-CoA abgespalten worden sind. A. O

3

C

3

S

CoA

C

S

CoA

Hydratase

2 3

R

2

2

-trans-Enoyl-CoA

-cis-Enoyl-CoA

C

OH

4

3

R

S

CoA

O

Isomerase

R

L-(+)- -Hydroxyacyl-CoA

B.

-Oxidation

O 2

-cis-Enoyl-CoA

10.8

CoA

R

3

Epimerase

2

C

S

CoA

2

R

O

S

D-( )- -Hydroxyacyl-CoA

3

C

OH

C

O

Hydratase

2

HO

3

R

S

CoA

L-(+)- -Hydroxyacyl-CoA

Hilfsreaktionen bei der Einführung ungesättigter Fettsäuren in die β-Oxidation

508

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Tritt ein Δ2-cis-Enoyl-CoA als Zwischenprodukt auf, kann dieses zwar durch die Enoyl-CoA-Hydratase umgesetzt werden, es entsteht jedoch D-(-)-β-HydroxyacylCoA anstelle der L-Form des Produktes. Um die β-Oxidation fortzusetzen, muss dieses durch eine Epimerase in L-(+)-β-Hydroxyacyl-CoA umgewandelt werden (Abbildung 10.8B). 10.2.3.4 Bei der β-Oxidation von Fettsäuren mit einer ungeraden Zahl von Kohlenstoffatomen entsteht Propionyl-CoA Der Mensch synthetisiert keine Fettsäuren, die aus einer ungeraden Zahl von C-Atomen bestehen, nimmt jedoch derartige Fettsäuren mit der Nahrung auf, da sie in pflanzlichen Ölen und in Lipiden verschiedener mariner Organismen vorkommen. Auch diese Fettsäuren werden durch die β -Oxidation abgebaut. Da in diesem Prozess bei jedem Durchgang ein Acetyl-CoA, also eine Verbindung aus zwei C-Atomen abgespalten wird, bleibt beim Einsatz von Fettsäuren mit einer ungeraden Zahl von Kohlenstoffatomen zwangsläufig eine Fettsäure aus drei C-Atomen, das Propionyl-CoA, übrig. Auch das Propionyl-CoA kann in den Tricarbonsäurecyclus eingeschleust werden, nachdem es in einer dreistufigen Reaktion in Succinyl-CoA umgewandelt wurde. Diese Reaktionsfolge, zu der Biotin und Cobalamin benötigt werden, wurde im Zusammenhang mit der Funktion dieser Vitamine in Abschnitt 4.4.2.6 (Abbildung 4.23) beschrieben.

10.2.4 Eine β-Oxidation von Fettsäuren findet auch in den Peroxisomen statt Die intramitochondriale β-Oxidation ist zwar der quantitativ weitaus überwiegende Weg zum Abbau der Fettsäuren, jedoch findet dieser Prozess in etwas abgewandelter Form auch in den Peroxisomen statt (Abschnitt 1.2.5). Der wesentliche Unterschied liegt im ersten Reaktionsschritt: Die Acyl-CoA-Dehydrogenase – die zutreffender auch als Acyl-CoA-Oxidase bezeichnet wird – katalysiert die folgende Reaktion: Acyl-CoA + O2 → trans-Δ2-Enoyl-CoA + H2O

(Gl. 10.5)

An der Reaktion ist FAD als Cofaktor beteiligt. Die Reduktionsäquivalente werden jedoch nicht an die Atmungskette weitergeleitet, sondern es entsteht H2O2, das durch die peroxisomale Katalase zu H2O und O2 abgebaut wird (Abschnitt 1.2.5.1; Gl. 1.3). Weiterhin akzeptiert die Ketothiolase der Peroxisomen als Substrat nur Acyl-CoA, die eine Kettenlänge von 8 oder mehr C-Atomen haben, so dass der peroxisomale Abbau der Fettsäuren nur unvollständig ist. Die „alternative β-Oxidation“ der Fettsäuren in den Peroxisomen dürfte überhaupt vor allem der Kettenverkürzung sehr langkettiger Fettsäuren (> 18 C-Atome) dienen und damit deren weiteren Abbau in den Mitochondrien erleichtern. Die verkürzten Fettsäuren werden noch in den Peroxisomen in die entsprechenden Carnitin-Ester überführt und als solche an die Mitochondrien weitergegeben. Der Eintritt der Fettsäuren in die Peroxisomen ist jedoch nicht auf Carnitin angewiesen. Die Peroxisomen verfügen nicht über die Enzyme des Tricarbonsäurecyclus. Die abgespaltenen Acetyl-CoA werden, genauso wie das NADH, aus den Organellen abgege-

10 Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels

509

ben. Interessanterweise führt eine fettreiche Ernährung zu einer Vergrößerung der Peroxisomen und zu einer erhöhten Synthese der Enzyme der β-Oxidation.

10.3 Im Fettgewebe werden die Fettsäuren vorwiegend zur Synthese der Triglyceride verwendet Wie bereits wiederholt diskutiert, sind die Fettsäuren potentielle Lieferanten biologischer Energie, wobei es gleichgültig ist, ob sie endogenen Ursprungs sind oder aus der Nahrung stammen. Je nach Ernährungs- und Stoffwechsellage können sie entweder zur sofortigen Gewinnung von Energie genutzt oder als Energiedepot gespeichert werden. Freie Fettsäuren sind als solche allerdings nicht speicherungsfähig. Ihre biologische Halbwertszeit im Serum beträgt 1 bis 2 Minuten, was ihren raschen Umsatz deutlich macht. Sie werden aus dem Blut, das ihrer Verteilung zwischen den Organen dient, bevorzugt von der Leber, dem Myocard, der Nierenrinde und dem Muskel aufgenommen und dem oxidativen Abbau zugeführt. Im Fettgewebe spielt die Energiegewinnung aus Fettsäuren gegenüber der aus Glucose eine geringe Rolle. In diesem Gewebe werden sie vor allem in eine Form übergeführt, die zur Speicherung der Energie geeignet ist: Sie werden mit Glycerin zu Triglyceriden (Triacylglycerinen) verestert. Antiparallel zu diesem als Lipogenese bezeichneten Vorgang findet im Adipocyten der Abbau der Triglyceride, die Lipolyse statt, durch die das Energiedepot mobilisiert wird.

10.3.1 Zur Biosynthese der Triglyceride dienen aktiviertes Glycerin und aktivierte Fettsäuren Die aktive Form des Glycerins ist das α -Glycerophosphat, das auf zwei Wegen gewonnen werden kann. In den meisten Geweben – auch im Fettgewebe – entsteht es aus einem glykolytischen Metaboliten, dem Dihydroxyacetonphosphat (Abschnitt 9.3.1; Abbildung 9.5) nach dessen Reduktion durch die α-Glycerophosphat-Dehydrogenase. In der Leber, der Niere und der Darmmucosa ist die Glycerokinase mit hoher Aktivität vertreten, wodurch in diesen Geweben die direkte ATP-abhängige Phosphorylierung des Glycerins möglich ist. Die „aktivierten“ Fettsäuren, die Acyl-CoA, entstehen durch die ATP-abhängige Anfügung eines Coenzym A an das Carboxylende der Fettsäurekette, wie dies bereits im Zusammenhang mit der Verwertung der Fettsäuren in Abschnitt 10.2.2 (Gl. 10.4) beschrieben wurde. Den dreistufigen Prozess der Triglyceridsynthese stellt Abbildung 10.9 dar. Im ersten Schritt verknüpft die Acyl-CoA-Glycerin-3-phosphat-Acyl-Transferase zwei Moleküle Acyl-CoA mit α-Glycerophosphat. Bevorzugt werden bei dieser Reaktion Fettsäuren mit einer Kettenlänge von 16 bis 18 Kohlenstoffatomen. Es entsteht die Phosphatidsäure, ein zweifach acyliertes Glycerophosphat. Im zweiten Schritt spaltet die Phosphatidat-Phosphohydrolase den Phosphatrest ab. An das entstandene α, βDiacylglycerin heftet die Diacylglycerin-Acyl-Transferase das dritte Acyl-CoA an. Diese Enzyme sind in einem Triacylglycerin-Synthase-Komplex vereinigt, der an die Membran des endoplasmatischen Reticulums gebunden ist.

510

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

H2C

OH

HC

OH

H2C

O

O

+

2 CH3

(CH2)n C

PO32–

S

CoA

2 Acyl-CoA

α-Glycerophosphat Acyl-CoA-Glycerin3-phosphat-Acyl-Transferase

2CoA -SH O

H2C

O

C

(CH2)n

CH3

(CH2)n

CH3

O HC

O

C

H2C

O

PO32–

Phosphatidsäure H2O PhosphatidatPhosphohydrolase

PO43– O

H2C

O

C

(CH2)n

CH3

(CH2)n

CH3

O HC H2C

O

C

OH

Diacylglycerin

O CH3

(CH2)n C

DiacylglycerinAcyl-Transferase

S

CoA

Acyl-CoA CoA-SH O

H2C

O

C

(CH2)n

CH3

(CH2)n

CH3

(CH2)n

CH3

O HC

O

C O

H2C

O

C

Triacylglycerin

10.9

Biosynthese der Triglyceride

10.3.2 Der Abbau der Triglyceride wird durch Lipasen katalysiert Zur Mobilisierung der gespeicherten Energiereserven werden die Triglyceride durch drei hintereinander geschaltete intrazelluläre Lipasen zu Fettsäuren und Glycerin hydrolysiert (Abbildung 10.10). Die Triacylglycerin-Lipase reagiert spezifisch nur mit Triglyceriden und bevorzugt solche mit langkettigen Fettsäureresten. Das interkonvertierbare, in phosphorylierter Form aktive Enzym bestimmt die Geschwindigkeit der sukzessiven Spaltungsschritte. Die Diacyl- und Monoacyl-Lipasen sind relativ unspezifisch. Alle drei Lipasen haben ihr pH-Optimum im neutralen Bereich. Eine weitere Triacylglycerin-Lipase mit einem Optimum nahe pH 8 spaltet kurzkettige Fettsäuren ab.

10 Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels

511

O H 2C

O

C

(CH2)n

CH3

(CH2)n

CH3

(CH2)n

CH3

O HC

O

C O

H 2C

O

C

Triacylglycerin H2O TriacylglycerinLipase

Fettsäuren O

H 2C

O

C

(CH2)n

CH3

(CH2)n

CH3

O HC H 2C

O

C

OH

Diacylglycerin H2O

DiacylglycerinLipase

Fettsäuren H 2C

OH O

HC H 2C

O

C

(CH2)n

CH3

OH

Monoacylglycerin H2O

MonoacylglycerinLipase

Fettsäuren H 2C

OH

HC

OH

H 2C

OH

Glycerin

10.10

Stufenweiser Abbau der Triglyceride

Die abgespaltenen Fettsäuren können im Adipocyten auch reverestert werden. Der größte Teil wird jedoch an das Blut abgegeben und den Organen zugeführt, die ihren Energiebedarf bevorzugt durch den Abbau von Fettsäuren decken. Das Glycerin wird aus dem Blut vor allem von der Leber und der Darmmucosa aufgenommen, wo es nach Aktivierung zu α-Glycerophosphat verwertet wird – in der Leber hauptsächlich zur Gluconeogenese. Außer den intrazellulären Lipasen, die eine Rolle bei der Fettmobilisierung spielen, kommen in vielen Geweben – so auch im Fettgewebe – Lipoproteinlipasen mit hoher Aktivität vor. Sie sind an der Außenseite der Plasmamembran der Adipocyten und an den Endothelzellen der Blutkapillaren lokalisiert. Es sind jedoch auch intrazelluläre Lipoproteinlipasen nachweisbar. Die Lipoproteinlipasen spalten die besonders triglyceridreichen Lipoproteine, die VLDL und die Chylomikronen (Abschnitt 8.3.2). Die Tri-

512

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

glyceride der Nahrung werden hauptsächlich mit den Chylomikronen zum Fettgewebe transportiert. Da die Lipoproteine vom Adipocyten nicht internalisiert werden können, spaltet sie die Lipoproteinlipase in Fettsäuren und Glycerin, die die Zelle dann reverestert. Es sei daran erinnert, dass im Lumen des Dünndarms eine dritte Lipase, die Pankreaslipase, für die Hydrolyse der Nahrungstriglyceride zuständig ist (Abschnitt 7.6.2).

10.3.3 Synthese und Abbau der Triglyceride werden in einer konzertierten Aktion von Hormonen gesteuert Durch Speicherung von Energie in Form von Triglyceriden und durch deren bedarfsgerechte Mobilisierung hat das Fettgewebe einen aktiven, unter Umständen sehr bedeutenden Anteil am Gesamtstoffumsatz eines Organismus. Es ist evident, dass die beiden gegenläufigen Prozesse, die Lipogenese und die Lipolyse, einer Regulation bedürfen. Beide finden im Cytosol des Adipocyten statt. Die Möglichkeit der Regulation durch Kompartimentierung ist somit nicht gegeben. Damit verlagert sich die Steuerung auf die Ebene der Enzyme, deren Aktivität durch invers wirkende Hormone so eingestellt wird, dass der anabole und der katabole Stoffwechsel der Speicherlipide nicht gleichzeitig ablaufen kann. Abbildung 10.11 bietet einen schematischen Überblick über die Regulation der Triglyceridsynthese (rechts) und des Triglyceridabbaus (links) in den Adipocyten. Bei der Synthese haben zwei Enzyme eine regulatorische Funktion: Die Lipoproteinlipase, die an der Außenseite der Plasmamembran des Adipocyten beziehungsweise des Kapillarendothels lokalisiert ist, und die Acetyl-CoA-Carboxylase als intrazelluäres Enzym. Die Triglyceride, die im Fettgewebe des Menschen gespeichert werden, stammen in erster Linie aus der Nahrung. Wie bereits erwähnt, gelangen sie nach der intestinalen Resorption als Triglycerid-reiche Chylomikronen an die Adipocyten, wo sie durch die Lipoproteinlipase gespalten werden. Die Aktivität dieses Enzyms ist bestimmend für die Geschwindigkeit der Resynthese der Triglyceride aus alimentären Quellen. Insulin ist ein potenter Induktor der Lipoproteinlipase. Der Funktion als Schlüsselenzym entspricht ihre kurze Halbwertszeit von etwa einer Stunde. Die Aktivität der Lipoproteinlipase widerspiegelt somit die Schwankungen des Insulinspiegels im Blut. Die aus der Hydrolyse hervorgegangenen Fettsäuren werden unter Beteiligung von zellulären Bindungsproteinen schnell von den Adipocyten aufgenommen und als AcylCoA aktiviert. Das zweite Produkt der Spaltung, das Glycerin, kann in den Adipocyten nur in geringem Maße zur Reveresterung der Triglyceride verwendet werden, da dieser Zelltyp kaum Glycerokinase-Aktivität aufweist. Das Glycerin wird also durch Reduktion des Dihydroxyacetonphosphats der glykolytischen Kette entnommen (Abschnitt 10.3.1), deren Intensität ebenfalls durch Insulin gefördert wird. Der Adipocyt bildet ein acylation stimulating protein, das Adipsin. Dieses trimere Protein fungiert als Aktivator der Acyl-Transferasen und verstärkt somit die Triglyceridsynthese. Wie Abbildung 10.11 ebenfalls zeigt, wirkt das Insulin auch bei weiteren Prozessen, die mit der Triglyceridsynthese in Zusammenhang stehen, stimulierend. Das ist der Fall bei der GLUT 4-vermittelten Aufnahme der Glucose in die Fettzelle (Abschnitt 1.1.2.10), beim glykolytischen Abbau der Glucose, woraus nicht nur das α-Glycerophosphat resultiert, sondern auch das Acetyl-CoA, nachdem das Pyruvat durch die Pyruvat-Dehydrogenase dehydrierend decarboxyliert worden ist.

10 Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels

Triglyceridabbau

Triglyceridsynthese

513

Chylomikronen VLDL

Triglyceride Adipsin

ENDOTHEL

Triacylglycerin-Lipase

Acyltransferasen

Di-/Monoacylglycerin-Lipasen

Insulin FFS

FFS

10.11

Gluconeogenese

Oxidation

Glycerin

Glycerin

Acyl-CoA FFS -Glycerophosphat Fettsäure-Synthase

Acetyl-CoA Carboxylase

ADIPOCYT

Acetyl-CoA

Insulin* Catecholamine

Lipoproteinlipase

Catecholamine

Insulin*

Glycerin

Glucose

Abbau

Insulin

Insulin * = Expression

Hormonelle Regulation des Triglyceridabbaus und der Triglyceridsynthese FFS = freie Fettsäuren; Schlüsselenzyme rot umrahmt

Der zentrale Metabolit Acetyl-CoA ist bekanntlich das unmittelbare Substrat zur Synthese der Fettsäuren. Wie in Abschnitt 10.2.1 erörtert, ist die Gewinnung von MalonylCoA der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Fettsäuresynthese. Er wird durch die Acetyl-CoA-Carboxylase katalysiert, deren Aktivität – wenn auch indirekt – ebenfalls unter dem stimulierenden Effekt des Insulins steht. Der Bedeutung der Acetyl-CoA-Carboxylase entsprechend unterliegt dieses Schlüsselenzym einer multiplen Regulation. Auf der Ebene der Transkription wirkt Insulin in Gegenwart von Glucose als potenter Induktor der Acetyl-CoA-Carboxylase-Expression. Glucocorticoide unterdrücken diesen Effekt. Eine Repressorwirkung entfalten auch Hormone, die den cAMP-Spiegel erhöhen, das heißt die Catecholamine und das Glucagon. Es sind auch eine Reihe akut wirksamer Regulationsmöglichkeiten bekannt, die Abbildung 10.12 zusammenfasst. Die Acetyl-CoA-Carboxylase besitzt eine Quartärstruktur. Das Monomer, das eine molare Masse von 410 kDa hat, ist inaktiv. Durch Zusammenlagerung von 10 bis 20 Monomeren entsteht das aktive hochmolekulare Polymer. Die Aggregation der Monomere wird – zumindest in vitro – durch Citrat und sonstige Tricarboxylat-Anionen gefördert. Über die physiologische Bedeutung des Citrat-Effektes herrscht Unklarheit, da die erforderliche Citrat-Konzentration sehr hoch ist. Von größerer Bedeutung für die Regulation der Aktivität der Acetyl-CoA-Carboxylase dürfte es sein, dass es sich dabei um ein interkonvertierbares Enzym handelt. Die aktive Form ist nicht phosporyliert, die inaktive trägt drei Phosphatreste. Drei Enzyme spielen bei der Interkonvertierung eine Rolle: Zwei Proteinkinasen, die phosphorylierend und damit inaktivierend wirken, und eine Protein-Phosphatase, die durch Abspaltung der Phosphatreste den aktiven Zustand herstellt. Die 5’AMP-abhängige-Protein-

514

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Insulin

+

Mitochondrion

AMP

ATP Oxalacetat

ATP

+

ADP

Citrat ATP-Citrat-Lyase

Acetyl-CoA

Acyl-CoA Bindungsproteine

cAMP

5'AMP-abhängige cAMP-abhängige Proteinkinase Proteinkinase

ATP

+

Catecholamine

Acetyl-CoA-Carboxylase aktiv

ADP

P

P

P

Acetyl-CoA-Carboxylase inaktiv

Protein-Phosphatase

Acyl-CoA Malonyl-CoA

Fettsäuren der Nahrung

COOH Thiokinase COOH

CO 2

Fettsäure-Synthase-Komplex COOH

langkettige Fettsäure

angefügter C2-Körper

10.12

Regulation der Aktivität der Acetyl-CoA-Carboxylase

kinase wird durch AMP aktiviert und durch ATP gehemmt. Die zweite, cAMP-abhängige-Proteinkinase (PKA) ist hormonsensitiv. Catecholamine und auch Glucagon, die zur Erhöhung des cAMP-Spiegels führen, aktivieren diese Kinase und inaktivieren entsprechend die Acetyl-CoA-Carboxylase. Das Insulin bewirkt das Gegenteil, indem es die Konzentration des cAMP senkt. Diese durch Interkonvertierung vermittelte Aktivierung beziehungsweise Inaktivierung der Acetyl-CoA-Carboxylayse wird mit der Reassoziation beziehungsweise Dissoziation der Enzymmonomere in Zusammenhang gebracht. Langkettige Acyl-CoA hemmen im Sinne einer allosterischen Rückkopplung die Acetyl-CoA-Carboxylase. Hierbei ist es gleichgültig, ob die langkettigen Fettsäuren Produkte der intrazellulären Synthese durch den Fettsäure-Synthase-Komplex sind oder aus den Triglyceriden der Nahrung stammen. Dies hat zur Konsequenz, dass bei ausreichender alimentärer Fettzufuhr die de novo-Synthese von Fettsäuren aus Glucose eine nur sehr geringe Bedeutung hat. Der Fettgehalt der menschlichen Nahrung mit durchschnittlich 40 Energieprozent ist hoch genug, um für die Triglyceridsynthese im Fettgewebe reichlich Fettsäuren zur Verfügung zu stellen. Beim Menschen dürfte die Kapazität des Adipocyten zur Synthese von Fettsäuren sehr begrenzt sein. Darauf deutet auch hin, dass alle Enzyme, die mit der Fettsäuresynthese im Zusammenhang stehen – die Pyruvat-Dehydrogenase, die ATP-Citrat-Lyase, die Acetyl-CoA-Carboxylase und die Fettsäure-Synthase – sehr niedrige Aktivitäten aufweisen. Bereits ein Fettgehalt von 2 bis 3 % in der Nahrung führt zu einer beinahe vollständigen Drosselung der Lipacidogenese aus Kohlenhydraten.

10 Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels

515

Beim Menschen dürfte unter physiologischen Bedingungen die hepatische de novoSynthese von Fettsäuren eine untergeordnete Rolle spielen. Bei Tierspezies dagegen, deren Nahrung physiologischerweise wenig Fett enthält – also bei allen Herbivoren – ist die Kapazität der Fettsäuresynthese aus Glucose sehr ausgeprägt. Hiervon wird bei der sogenannten Kohlenhydratmast von Nutztieren Gebrauch gemacht. Die Lipolyse wird – wie in Abschnitt 10.3.2 besprochen – durch drei intrazelluläre Lipasen katalysiert, von denen die Triacylglycerin-Lipase die Rolle eines Schlüsselenzyms hat. Die linke Hälfte von Abbildung 10.11 zeigt, dass dieses Enzym durch die Catecholamine aktiviert und durch das Insulin gehemmt wird. Die Triglycerid-Lipase (Triacylglycerin-Lipase) ist ein interkonvertierbares Enzym, das im phosphorylierten Zustand aktiv ist. Die Stimulierung der Lipolyse weist somit gewisse Analogien zur Mobilisierung der Glykogenvorräte auf (Abschnitt 9.3.5.1). Die Adipocyten exprimieren mehrere unterschiedliche Catecholamin-Rezeptoren, von denen die β2- und β3-Rezeptoren von besonderem Interesse sind. Die β3Rezeptoren haben eine bemerkenswert hohe Dichte im viszeralen und braunen Fettgewebe (Abschnitt 10.5). Die Bindung der Catecholamine an die β -Rezeptoren, die sieben TransmembranDomänen aufweisen, löst die Weitergabe der Signale über heterotrimere G-Proteine an die Adenylatcyclase aus (Abschnitt 1.1.3.6). Die intrazelluläre cAMP-Konzentration erhöht sich. Dies führt zur Aktivierung der Proteinkinase A, die die Triglycerid-Lipase des Adipocyten phosphoryliert und damit in den aktiven Zustand überführt. Das Insulin übt seine inhibierende Wirkung auf die Lipolyse dadurch aus, das es die cAMPPhosphodiesterase aktiviert und damit die intrazelluläre Konzentration des cAMP herunterreguliert. Die gynoiden Fettzellen, die beim weiblichen Geschlecht am Oberschenkel und am Gesäß besonders gehäuft vorkommen, besitzen auch α2-Rezeptoren. Die Bindung von Catecholaminen an diesen Rezeptortyp führt zur Stimulierung eines inhibitorischen GProteins und damit zur Hemmung des Adenylatcyclase-Systems. Das gynoide Fettgewebe ist dadurch relativ unempfindlich gegenüber der lipolytischen Wirkung der Catecholamine. Weitere Hormone, die zur Steigerung der Lipolyse beitragen, sind die Schilddrüsenhormone und die Glucocorticoide. Diese haben erwartungsgemäß einen anderen Wirkungsmechanismus (Abschnitt 1.4.4.4 und 1.4.5.3) und stimulieren wahrscheinlich die Synthese mehrerer Proteine, die an der Lipolyse beteiligt sind, deren Natur jedoch noch nicht geklärt ist.

10.4 Die Phosphatidsäure ist auch die Vorstufe der meisten Phospholipide Die Phospholipide sind eine Untergruppe der polaren Lipide, für die eine Phosphosäureester-Gruppierung charakteristisch ist. Es gibt zwei Klassen von Phospholipiden: Glycerophospholipide und Sphingophospholipide. Die Alkoholkomponente der Glycerophospholipide ist das Glycerin, die der Sphingophospholipide der zweiwertige Aminoalkohol Sphingosin (Abschnitt 1.1.1.1). Bekanntlich sind Phospholipide Hauptbestandteile der Zellmembranen. Sie sind für die Erhaltung der Membranstruktur und -funktion unabdingbar. Neben dieser bereits lange bekannten Rolle hat sich in den letzten Jahrzehnten gezeigt, dass die Phospholi-

516

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

pide eine sehr vielfältige Aufgabe bei der Übertragung extrazellulärer Signale in intrazelluläre metabolische Aktivitäten ausüben. Als Beispiel sei an die Rolle der Phosphatidylinositolphosphate – beziehungsweise ihrer Spaltprodukte, des Inositoltriphosphates und des Diacylglycerins – für die Ca2+-Mobilisierung beziehungsweise die Aktivierung der Proteinkinase C erinnert (Abschnitt 1.1.3.9). Die Glycerophospholipide sind Bestandteil aller biologischen Membranen und übertreffen schon quantitativ die Bedeutung der Sphingolipide. Sphingomyelin ist neben Phosphatidylcholin, Phosphatidylethanolamin und Phosphatidylserin ein Haupttyp von Membranlipiden, der bevorzugt auf der Außenseite der Lipid-Doppelschicht enthalten ist. Sphingomyelin hat, verglichen mit anderen Membranen, einen höheren Massenanteil in neuralen Membranen. Die ersten Schritte der Synthese der Glycerophospholipide (Phosphoglyceride) sind mit denen der Triglyceridsynthese bis zur Entstehung der Phosphatidsäure identisch (Abbildung 10.9). Für die Bildung von Phosphatidylcholin und Phosphatidylethanolamin (Abbildung 10.13) wird – wie bei der Triglyceridsynthese – der Phosphatrest abgespalten und das 1,2 Diacylglycerin dient zur Verknüpfung mit Cholin beziehungsweise Ethanolamin. Diese beiden Substituenten – und auch das Serin – werden zunächst in einer ATP-abhängigen Reaktion phosphoryliert. Ihre Aktivierung geht mittels Cytidyltriphosphat weiter, wobei Pyrophosphat abgespalten wird. Die CDP-Cholin/-Ethanolamin/(-Serin)-Diacylglycerin-Transferase überträgt unter Abspaltung von Cytidylmonophosphat das Cholin beziehungsweise Ethanolamin (Serin) auf die dritte OH-Gruppe des 1,2 Diacylglycerins. Bei der Synthese des Phosphatidylinositols wird nicht der Substituent, das heißt der cyclische Alkohol Inositol, aktiviert, sondern der Cytidylrest wird auf die PhosphatidO R1

C

O

CH2

R2 C

O

CH

O

H2C

CTP O

Phosphatidsäure PO3– 4

Cholin ATP ADP +

CTP

N

O

R1 C

O

CH2

O

P

R2 C

O

CH H2C

(CH2)2

CH2

R2 C

O

CH H2C

Transferase

–

O

CMP

O– P

O

O

Cholin

OH

CMP

O

C

O

CH2

R2 C

O

CH

O

H2C

R1 O O

P O

Ethanolamin Phosphatidylethanolamin

H H

OH H HO

C

O

CH2

R2 C

O

CH

O

H2C

–

O O

P O O

Inositol Phosphatidylinositol

Biosynthese der Phosphoglyceride CTP = Cytidyltriphosphat; CDP = Cytidyldiphosphat; CMP = Cytidylmonophosphat

H

OH

HO

P-Pi

O–

Phosphatidylcholin

O

Cytidin

CMP

CMP R1

O

10.13

P O

O

P O

Transferase

O O

O

P O

CTP

O

O R1 C

–

O–

OH

NH2

CMP

O

H

Phosphorylethanolamin

CH3

O

CH H2 C

ADP

O

O

O

CH2

Ethanolamin ATP

O –

O

O

(CH2)2

P-Pi

O

R2 C

Phosphatidcytidyl-Transferase

1,2-Diacylglycerin

CH3 H3C

O R1 C

CDP-Diacylglycerin

O

Phosphorylcholin

PO2– 3

P-Pi

H

Inositol

10 Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels

517

säure übertragen. Das entstandene CDP-Diacylglycerin wird anschließend mit dem Inositol zu Phosphatidylinositol verknüpft. Für die Funktion der biologischen Membran ist die quantitative Relation der einzelnen Phosphoglyceride von Bedeutung. Außer durch de novo-Synthese besteht die Möglichkeit, diese durch Umwandlung der Glycerolipide zu modifizieren. Das Phosphatidylethanolamin spielt bei diesen Prozessen eine zentrale Rolle. Es lässt sich beispielsweise durch Methylierung mittels S-Adenosyl-Methionin als CH3-Donator in Phosphatidylcholin umwandeln. Phosphatidylserin kann zu Phosphatidylethanolamin decarboxyliert werden. Die Phosphoglyceride werden durch Phospholipasen mit unterschiedlicher Spezifität abgebaut. Von besonderem Interesse ist die membrangebundene Phospholipase C (PLC), die Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) zu zwei intrazellulären Signalmolekülen hydrolysiert – zu Inositol-1,4,5-triphosphat und Diacylglycerin – , sowie die Phospholipase A2, die die Arachidonsäure als Ausgangssubstrat zur Synthese der Eikosanoide freisetzt (Abschnitt 1.4.7).

10.5 Im braunen Fettgewebe findet eine „zitterfreie Thermogenese“ statt Bei der Beschreibung des histologischen Bildes des Fettgewebes wurde bereits auf die Spezialitäten des braunen Fettgewebes und seine Funktion bei der Wärmeproduktion kurz hingewiesen (Abschnitt 10.1; Abbildung 10.1B). Im folgenden soll auf die metabolischen Besonderheiten dieser Fettgewebsart, die beim adulten Menschen nur in sehr geringer Menge vorkommt, detailliert eingegangen werden. Die Wärmeproduktion ist beim erwachsenen Menschen ein „Nebenprodukt“ der ATP-Spaltung, die bekanntlich im höchsten Umfang im arbeitenden Muskel stattfindet. Ist die Umgebungstemperatur niedrig und eine willkürliche Erhöhung der Wärmeerzeugung durch Muskelarbeit nicht möglich, so behilft sich der Organismus durch das sogenannte Kältezittern. Es handelt sich dabei um unwillkürliche rhythmische Kontraktionen des Muskels, wodurch die Wärmeproduktion kurzfristig auf das Mehrfache des Ruhewertes gesteigert werden kann. Als einziges Gewebe der Säugetiere besitzt das braune Fettgewebe die Fähigkeit, durch intramitochondriale Substratoxidation direkt Wärme zu erzeugen. Es findet kein Muskelzittern statt, weshalb das Phänomen als „zitterfreie Thermogenese“ bezeichnet wird. Es ist in den letzten Jahren gelungen, die komplexe Ursachenkette dieser Wärmeproduktion, die für den Neugeborenen sehr bedeutend ist, weitgehend zu klären. Wie im Zusammenhang mit der Gewinnung biologischer Energie besprochen wurde, sind der Elektronentransport (die intramitochondriale Oxidation von NADH und FADH2 durch O2) und die oxidative Phosphorylierung (die ATP-Synthese) eng gekoppelt. Wie man aus zahlreichen einschlägigen in vitro-Experimenten weiß, lassen sich die beiden Prozesse entkoppeln, indem man Substanzen einsetzt, die die Permeabilität der inneren Membran des Mitochondrions für H+ erhöhen. Dadurch wird der elektrochemische Protonengradient abgebaut, ohne dass eine ATP-Synthese stattfindet. Bei einem derartigen „entkoppelten“ Abbau des elektrochemischen Gradienten entsteht Wärme. Der Mechanismus der Wärmeproduktion im braunen Fettgewebe beruht ebenfalls auf einer derartigen, jedoch regulierten Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung in den Mitochondrien dieser Fettzellen. Die Rolle des Entkopplers spielt dabei ein spezi-

518

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

NORADRENALIN ADRENALIN β-adrenerger Rezeptor

ADIPOCYT

Zellmembran Gαs

G-Protein

Adenylatcyclase

Gαs

ATP

cAMP

cAMP cAMP cAMP cAMP

Triglyceride

P

aktive PKA

ATP ADP

+ Lipase

Lipase

+

Fettsäuren H+

H+ H+

O2

P

CREBP

UCP

e–

ATP

innere Mitochondrienmembran

+ +

UCP-Gen Transkription

ZELLKERN

äußere Mitochondrienmembran 10.14

Mechanismus der Auslösung der Thermogenese im braunen Fettgewebe PKA = Proteinkinase A; UCP = uncoupling protein; CREBP = cAMP responsive element binding protein

elles Protein, das als Protonenkanal fungiert und als Thermogenin oder uncoupling protein bezeichnet wird. Die Kette der Regulationsschritte, die im braunen Fettgewebe zur Thermogenese führen, ist in Abbildung 10.14 dargestellt. Ausgelöst wird der komplexe Vorgang durch das Ausschütten von Catecholaminen, beispielsweise durch Kältereiz. Die Hormone binden an die gewebsspezifischen β3-Catecholamin-Rezeptoren. Es kommt zu einer G-Protein-vermittelten Aktivierung der Adenylatcyclase mit nachfolgender Erhöhung des intrazellulären cAMP-Spiegels (Abschnitt 1.1.3.6) sowie Aktivierung der Proteinkinase A. Dieses Enzym katalysiert die Phosphorylierung der hormonsensitiven Lipase, die damit in den aktiven Zustand übergeht und durch Spaltung von Triglyceriden Fettsäuren für die intramitochondriale β-Oxidation zur Verfügung stellt. Die aktivierte Proteinkinase A beeinflusst auch die Synthese des für den gesamten Vorgang ausschlaggebenden Proteins, des Thermogenins. Dabei spielt die Phosphorylierung und damit Aktivierung eines Transkriptionsfaktors, des cAMP-responsive element binding proteins (CREBP) eine Rolle. Dadurch wird die Transkriptionsrate des Gens, das das Thermogenin oder uncoupling protein 1 (UCP1) codiert, sowie die

10 Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels

519

Integration des Proteins in die innere Membran des Mitochondrions erhöht, und die Thermogenese nimmt ihren Lauf. Die Transportaktivität dieses Proteins wird durch ATP reduziert, durch freie Fettsäuren erhöht. In letzter Zeit fand man, dass UCP-1-ähnliche Entkopplungsproteine auch im weißen Fettgewebe und im Muskel exprimiert werden. Die Rolle dieser als UCP-2 und UCP-3 bezeichneten Proteine vermutet man nicht in der Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung, sondern in der Modulation der Bereitstellung von Fettsäuren für die βOxidation. Die Expression von UCP-1 und UCP-2 sowie UCP-3 unterliegt offenbar unterschiedlichen Transkriptionskontrollen.

10.6 Das Fettgewebe entpuppt sich als endokrines Organ Zweifelsohne dient das Fettgewebe in erster Reihe der äußerst effektiven Speicherung von Energie. Diese Funktion beanspruchte Jahrhunderte hindurch die Aufmerksamkeit

Fettgewebe

Gewichtsabnahme

Gewichtszunahme

Leptin

Leptin

Hypothalamus

Hypothalamus

NPY Y5 Rezeptor

MSH MC-4 Rezeptor

Antwort auf Hungern

Antwort auf Übergewicht

Nahrungsaufnahme

Parasympathikustonus NahrungsEnergieSympathikusTemperatur aufnahme verbrauch tonus EnergieReproduktionsverbrauch funktion

10.15

Leptin-vermittelte physiologische Antworten bei Gewichtsabnahme und Gewichtszunahme

520

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

von Physiologen und Biochemikern. Auch dieses Kapitel des Lehrbuches befasste sich bislang mit den anabolen und katabolen Prozessen des Lipidstoffwechsels, die diesen Aspekt betrafen, mit Ausnahme der Phospholipide, die nicht als Energieträger, sondern vor allem als Bausteine biologischer Membranen von Interesse sind. Erst die Entdeckung des Leptins 1994 lenkte die Aufmerksamkeit auf eine völlig neuartige Rolle des Fettgewebes als endokrines Organ. Dieses Polypeptid ist im Zusammenhang mit dem Auftreten einer hochgradigen Fettsucht bei einem Mäusestamm entdeckt worden, dessen Vertreter durch unbegrenzte Futteraufnahme auffielen. Wie genetische Untersuchungen ergaben, können diese Tiere kein Leptin exprimieren, da beim ob-Gen, das das Leptin codiert, eine Spontanmutation aufgetreten war. Weitere Untersuchungen zeigten, dass das Leptin eine zentrale Rolle bei der Regulation von Hunger und Sättigung spielt. Dieser Rolle entsprechend wurden die Wirkungen des Leptins und seine Interaktionen mit zahlreichen weiteren regulatorischen Peptiden bereits in Abschnitt 2.1.6 im Zusammenhang mit der Regulation der Nahrungsaufnahme ausführlich besprochen. Bemerkenswert ist die Proportionalität zwischen der Fettgewebsmasse beziehungsweise dem bodymass index (BMI) eines Menschen und der im Blut zirkulierenden Leptinmenge. Entsprechend wird dem Leptin eine zentrale Rolle bei der Regulation des Körpergewichtes zugeschrieben. Es beeinflusst nicht nur die Nahrungsaufnahme über die Steuerung von Hunger und Sättigung, sondern übt auch Effekte auf die Energieausgabe über die Thermogenese aus. Leptin scheint damit ein zentrales Hormon bei der Kontrolle der Energiehomöostase zu sein. Abbildung 10.15 zeigt einen Regelkreis, in dem Veränderungen der Fettgewebsmasse zu Veränderungen des Leptinspiegels führen, und diese auf die Nahrungsaufnahme, die Thermogenese und die Reproduktionsfunktion rückwirken. Erhöhte Leptinspiegel bei stark übergewichtigen Personen zeigen eine Störung des Regelkreises an. Diese wird mit einer zunehmenden Desensibilisierung des Regulationssystems erklärt – vergleichbar mit der Insulinresistenz beim Diabetes Typ II. Die Unempfindlichkeit des ZNS gegenüber dem Leptin bei sehr hohen Leptinkonzentrationen im Blut beruht möglicherweise auf einer verminderten Permeabilität der Blut-HirnSchranke für das Hormon. Defekte auf der Ebene der Leptinrezeptoren und der von ihnen ausgehenden Signalwege sind als Ursache der Desensibilisierung ebenfalls denkbar.

11

Das Muskelgewebe – Energietransformator und Proteinspeicher

Die Muskulatur ist das größte Organsystem des Menschen, auf das 40 bis 50 % des Gesamtkörpergewichtes eines jungen Erwachsenen entfallen. Die relative Muskelmasse ändert sich während der Lebensphasen: Bei der Geburt macht sie nur etwa 25 % des Körpergewichtes aus, beim alten Menschen etwa 30 %. Da das extrazelluläre Kompartiment im Muskelgewebe im Vergleich zu sonstigen Geweben realtiv klein ist, entfallen 70 bis 80 % der gesamten Zellmasse des menschlichen Organismus auf das Muskelgewebe. Die Muskulatur ist ein System aus kontraktilen Zellen, die bei höher organisierten Tieren einen eigenen Gewebetyp ausbilden. Die spindel- und faserförmigen, seltener verzweigten Muskelzellen entstammen ontogenetisch dem Mesoderm. Sie können sich zu einzelnen Muskelsträngen, Muskelnetzen, epithelähnlichen Muskelschichten und kompliziert aufgebauten Muskelbündeln des Bewegungsapparates zusammenschließen. Die höher entwickelten Vertebraten – somit auch der Mensch – haben drei histologisch und funktionell unterschiedliche Muskeltypen: die Skelettmuskeln, die Herzmuskeln und die glatten Muskeln. Die Skelett- und Herzmuskeln erscheinen im mikroskopischen Bild als gestreift, die glatten Muskeln als nicht-gestreift. Die Skelettmuskulatur steht unter der willkürlichen Kontrolle des ZNS, im Gegensatz zur Herzmuskulatur und der glatten Muskulatur, die vegetativ innerviert sind und wesentlich langsamer kontrahieren als die Skelettmuskulatur (Tabelle 11.1). Die cytologische Nomenklatur der Muskelzelle weicht von der anderer Zellen ab. Die Muskelzelle, deren Länge mehrere Zentimeter betragen kann, wird als Muskelfaser bezeichnet, das Cytoplasma als Sarkoplasma, die Plasmamembran der Muskelzelle als Sarkolemm und das endoplasmatische Reticulum als sarkoplasmatisches Reticulum. Die quergestreifte Muskulatur besteht aus Zellen mit zahlreichen Zellkernen, die am Rande des Sarkoplasmas direkt unterhalb des Sarkolemm lokalisiert sind. Das Sarkoplasma selbst besteht hauptsächlich aus den Myofibrillen des kontraktilen Apparates. Die oft sehr lange, mehrkernige Muskelfaser, deren Durchmesser 10 bis 100 μm beträgt, entsteht durch Verschmelzen ursprünglich einkerniger Zellen zu syncytialen Muskelschläuchen während der Ontogenese. Die verschiedenen Muskeltypen unterscheiden sich in ihrer feinstrukturellen Erscheinung und in ihrer Ausstattung mit gewebespezifischen Isoformen der kontraktilen Proteine, der Ionenkanalproteine und der Regulatorproteine. Die Isofomen entstammen Multigenfamilien oder entstehen durch alternatives Spleißen. Die Isoformen machen es möglich, dass für spezielle Funktionen verschiedene Muskelfasern entstehen und ihre Strukturen durch Adaptation den Anforderungen entsprechend modifizierbar sind. Die Muskulatur spielt in erster Reihe die Rolle eines Energietransformators, der chemische Energie in Bewegungsenergie umwandelt. Bei der Bewegung kann es sich um Ortsveränderung (Lokomotion) handeln, die hauptsächlich durch die Skelettmuskulatur vermittelt wird, oder um Stofftransport durch Konvektion, zum Beispiel beim

522

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Tabelle 11.1: Einige Charakteristika verschiedener Muskeltypen Eigenschaft

Skelettmuskel

Herzmuskel

glatter Muskel

Optische Erscheinung

gestreift

gestreift

nicht gestreift

Sarkoplasmatisches ausgeprägt Reticulum

vorhanden

oft rudimentär

T-Tubuli

klein

groß

meist rudimentär

Funktion der Ca2+-Pumpe

schnell

relativ schnell

langsam

Rezeptoren am Sarkolemm

wenige

viele unterschiedliche

viele unterschiedliche

Auslösen der Kontraktion

neurale Impulse

intrinsischer Rhythmus neurale Impulse, Hormone, Neurotransmitter

Bedeutung der [Ca2+]ex* für die Kontraktion

nicht wichtig

wichtig

wichtig

Blockierung der Kontraktion durch

TroponinSystem

Troponin-System

regulatorischer Myosinkopf

Caldesmon

beteiligt

nicht beteiligt

wichtiger Regulator

Cyclus der Quervernetzung

schnell

relativ schnell

langsam, prolongiert

ATP-Verbrauch

hoch (wechselnd)

hoch

weniger hoch

Ruhepotential (mV)

–90

–80 (Herzventrikel) –45 (Sinusknoten)

–70

* [Ca2+]ex = Calciumkonzentration im Extrazellulärraum

Flüssigkeitstransport des Herz-Kreislauf-Systems, beim Chymustransport im Magendarmtrakt oder beim Gastransport des Atmungssystems. Grundlage all dieser Prozesse ist die Fähigkeit der Muskelzelle zur Kontraktion. Etwa 60 % des gesamten Proteinbestandes eines Erwachsenen, der auf 10 kg geschätzt wird, befinden sich in der Muskulatur. Unter bestimmten physiologischen – und pathologischen – Bedingungen kann auf etwa ein Drittel des Bestandes vorübergehend zur Befriedigung eines vordringlichen Proteinbedarfs in anderen Organen verzichtet werden, ohne dass die Funktionsfähigkeit des Muskels besonders beeinträchtigt ist. Das Muskelgewebe ist also der bedeutendste Proteinspeicher des Organismus. Die durch hormonell gesteuerte Proteolyse freigesetzten Aminosäuren können beispielsweise bei erhöhten Anforderungen an die Proteinsynthese nach Verbrennungen, nach Operationen oder bei Infekten eingesetzt werden. Sie können jedoch auch als Substrate der Gluconeogenese im Hungerzustand Verwendung finden (Abschnitt 9.3.2).

11 Das Muskelgewebe – Energietransformator und Proteinspeicher

523

11.1 Die Kontraktion der Muskelzelle kommt durch die Interaktion der Myofilamente zustande Die Muskelkontraktion ist das Resultat zahlreicher asynchron verlaufender Verkürzungen der einzelnen Muskelfasern, die wiederum auf die Verkürzung der subzellulären kontraktilen Elemente der Myofibrillen zurückzuführen ist. Um den Kontraktionsvorgang, der bei allen Muskeltypen prinzipiell gleich abläuft, auf molekularer Ebene zu verstehen, ist es notwendig, sich über die Anordnung der Faserproteine der Myofibrillen, der Myofilamente, ein Bild zu verschaffen. Abbildung 11.1 zeigt stark schematisiert diese Anordnung aufgrund des elektronenmikroskopischen Bildes einer Skelettmuskelfaser. Die auch lichtmikroskopisch sichtbare Querstreifung der Skelettmuskelfaser kommt durch das Vorhandensein zweier Filamenttypen in teilweise überlappender Anordnung zustande. Die mit einem Durchmesser von 16 nm dickeren Faserproteine sind die Myosinfilamente, die mit einem Durchmesser von 6 nm dünneren die Actinfilamente. Die Myosinfilamente werden durch ein zu ihrem Verlauf senkrecht stehendes Gerüstprotein, die Mittelmembran (M-Linie), durch Quervernetzung in einer festen hexagonalen Anordnung fixiert. Die Actinfilamente sind mit einem Ende jeweils in der ebenfalls senkrecht zum Verlauf der Filamente angeordneten Z-Membran (Z-Scheibe) verankert. Z-Scheibe

M-Linie

Z-Scheibe

Sarkomer I-Bande

A-Bande

I-Bande

HZone

entspannt

kontrahiert dünnes Filament (Actin) 11.1

dickes Filament (Myosin)

Anordnung der Myofilamente einer Skelettmuskelfaser im entspannten und im kontrahierten Zustand

524

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Im entspannten Muskel erstrecken sich die Actinfilamente über die isotrope I*Bande (I-Zone) bis etwa zur Mitte der anisotropen A*-Bande aus Myosinfilamenten. Im mittleren Bereich der A-Bande findet im entspannten Zustand keine Überlappung der Filamente statt, weshalb dieser Bereich im mikroskopischen Bild hell bleibt (HZone). Bei der Kontraktion des Muskels gleiten die Actinfilamente stärker in die ABande, so dass die H-Zone ganz verschwindet und die I-Bande schmaler wird. Nach diesem Gleitfasermodell kommt die Kontraktion dadurch zustande, dass dicke Filamente an den dünnen vorbeigleiten, ohne dass es bei einem der beiden Filamenttypen zu einer Längenänderung kommt. Die funktionelle Einheit der Myofibrille ist der 1,5 bis 2 μm lange Abschnitt zwischen zwei Z-Linien, der als Sarkomer bezeichnet wird. Die Längenveränderung des Sarkomers verursacht im Endeffekt die Verkürzung beziehungsweise Verlängerung eines Muskels.

11.1.1 Bei der Muskelkontraktion spielen mehrere Proteine eine Rolle Myosin und Actin bilden mit 80 bis 85 Gewichtsprozent den Hauptanteil der Proteine der Muskelzelle. Wie Tabelle 11.2 zeigt, haben jedoch auch weitere Proteine – wenn auch mengemäßig unbedeutend – eine funktionelle Bedeutung. Das Myosin ist, wie bereits ausgeführt, das Hauptprotein der dicken Filamente und macht im Mittel 60 % des Proteinbestandes aus. Es ist ein Hexamer aus 2 schweren und 4 leichten Peptidketten. Die beiden schweren Ketten (je 223 kDa) winden sich mit ihren langen α-helikalen Bereichen umeinander und bilden den Schaft des Myosins (Abbildung 11.2). Die kleineren globulären Bereiche stellen den für die Funktion wichtigen Kopf des Myosins dar. In jede Kopfhälfte sind außerdem je zwei unterschiedliche leichte Myosinketten (je 20 kDa) integriert. Eine dieser globulären Ketten hat eine regulatorische Funktion und besitzt eine Phosphorylierungsstelle. Verschiedene Muskeltypen enthalten unterschiedliche Myosin-Isoformen, deren quantitative Relation zueinander insbesondere im Herzmuskel unter hormoneller Kontrolle steht. Länger dauernde erhöhte Exkretion von Schilddrüsenhormonen führt beispielsweise im Herzventrikel zur Vermehrung eines Isotyps mit höherer ATPase-Aktivität.

Tropomyosin

Troponinkomplex ICT

Actinmonomer Actinfilament

Myosinkopf ADP+Pi Schaft 11.2

Scharnier des Myosins

Myosinfilament

Actin- und Myosinfilamente, Tropomyosin und Troponin im ruhenden gestreiften Muskel

* A steht für anisotrop, das heißt stark doppelbrechend, I für isotrop, das heißt weniger doppelbrechend.

Baustein von

dickes Filament

dünnes Filament

dünnes Filament

dünnes Filament

M-Membran

Z-Membran

Z-Membran

dickes Filament

dünnes Filament

Membrancytoskelett

Protein

Myosin

F-Actin

Tropomyosin

Troponin I, C, T

M-Protein

α-Actinin

Desmin

Titin

Nebulin

Dystrophin

430

800

3 000

190

78

64

8 400

526

Molare Masse kDa

Tabelle 11.2: Spezifische Proteine der Muskelfaser

Heterotrimer

Heterodimer

etwa 200 G-ActinMoleküle

2 schwere Ketten 4 leichte Ketten

Untereinheiten

0,002

0,5

1,5

0,5

3–5

4,5

20–25

55–65

Gewichtsanteil am Myofilament %

Bindung des F-Actins an Glykoproteinkomplex

Struktur des Actins

Elastizität der Muskelfaser

Strukturbildung

Strukturbildung des Sarkomers

Strukturbildung des Sarkomers

Regulation der Interaktion zwischen Myosin und Actin

Regulation der Interaktion zwischen Myosin und Actin

Bückenbildung mit Myosin; Gleitprotein

Brückenbildung mit Actin; ATPase-Aktivität

Funktion

11 Das Muskelgewebe – Energietransformator und Proteinspeicher 525

526

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Das quantitativ überwiegende Protein der dünnen Filamente ist das Actin. Das Tropomyosin und der Troponinkomplex haben regulatorische Funktionen. Das Actinmonomer ist ein globuläres Protein, das manchmal deswegen auch als G-Actin bezeichnet wird. Es ist des weiteren mit einem nicht-kovalent gebundenen ATP-Molekül assoziiert. Das endständige Phosphat des ATP wird hydrolysiert, nachdem Actin zu Actin-Filamenten polymerisiert, die man auch filamentöses oder F-Actin nennt. Die Polymerisation findet in Gegenwart von Mg2+ statt. In den Windungen des Actinfilamentes eingebettet liegen die Tropomyosinmoleküle. Wie der Myosin-Schwanz ist Tropomyosin ein Heterodimer aus zwei helicalen Ketten, die sich in einer Doppelwendel umeinander winden. Die für Herz- und Skelettmuskel organspezifischen Tropomyosinmoleküle entstehen durch unterschiedliches Spleißen des Genproduktes. Am fadenförmigen Tropomyosinmolekül befinden sich in regelmäßigen Abständen aus I-, C- und T-Untereinheiten bestehende Troponinkomplexe. Diese Untereinheiten erhielten ihre Namen wegen ihrer Tropomyosin-, Inhibierungs- und Ca2+-Bindungsaktivitäten. Weitere Proteine der Muskelfaser wirken an der Strukturbildung des Sarkomers mit. Das M-Protein stabilisiert die räumliche Anordnung der dicken Filamente, das α -Actinin bildet zusammen mit dem Desmin die Z-Membran, an die das Ende der dünnen Filamente geknüpft ist. Die Endo-Sarkomer-Proteine Titin und Nebulin sind für die Elastizität des entspannten Muskels und für die Struktur des Actins zuständig. Von besonderem Interesse ist das Titin als „molekulare Feder“ der relaxierten Muskelfaser. Es ist das größte Proteinmolekül des menschlichen Organismus und überspannt als elastischer, mehr als 1 μm langer Molekülstrang die Halblänge eines Sarkomers. Dystrophin ist Bestandteil des Cytoskeletts und verbindet das F-Actin mit einem Glykoproteinkomplex.

11.1.2 Grundlage der Muskelkontraktion ist die Interaktion des Myosinkopfes mit dem Actinfilament Wie bereits erwähnt, gleiten bei der Kontraktion der Muskelfaser die Actinfilamente an den dicken Myosinfilamenten vorbei. Die entscheidenden strukturellen Elemente bei diesem Vorgang sind die aus den Myosinfilamenten hervorragenden, mit scharnierartigen Verbindungen versehenen Myosinköpfe. Die Myosinköpfe können in einem bestimmten Winkel oszillieren, mit bestimmten Stellen des Actinfilamentes Querbrücken bilden, aus dieser Bindung losgelöst und an einer benachbarten Stelle des Actinfilamentes wieder gebunden werden. Das Binden und Wiederloslassen der Myosinköpfe ist ein sich wiederholender cyclischer Vorgang, bei dem das Actinfilament bei jedem Durchlauf des Kreisprozesses um 10 nm gegen die Mitte des Sarkomers verschoben wird. Während die Myosinköpfe auf der Stelle bleiben und nur Oszillationsbewegungen durchführen, „gleitet“ das Actinfilament an ihnen vorbei. Grundlage dieser Bewegung ist die ATPase-Aktivität des Myosinkopfes, der in einer seiner beiden globulären Regionen eine ATP-Bindungsstelle besitzt. Abbildung 11.3 zeigt die einzelnen Schritte des Kontraktionscyclus. In Zustand 1 (1) ist die ATP-Bindungsstelle des Myosinkopfes nicht besetzt, die Bindung zwischen dem Myosinkopf und dem Actinfilament ist stark. Anschließend (2) wird in der sich öffnenden Spalte zwischen den beiden Kopfhälften ATP gebunden. Der Myosin-ATP-Komplex hat eine geringere Affinität zum Actin, was die Ablösung des Myosinkopfes vom dünnen Filament zur Folge hat. Die Spalte zwischen den beiden Kopfhälften schließt sich und das ATP wird hydrolysiert, ohne dass die Hydrolyseprodukte, ADP und Pi ab-

11 Das Muskelgewebe – Energietransformator und Proteinspeicher

527

2 ATP-Bindung

ATP

ATP-Hydrolyse

= Bindungsstelle

3

1

Myosin-ADPPi-Komplex

5

10 nm

= alte Bindungsstelle

Ca2+ 4

ADP

11.3

Pi

Cyclischer Prozess der Muskelkontraktion

gegeben werden (3). Der so entstandene Myosin-ADP-Pi-Komplex ist die sogenannte hochenergetische Konformation. Wenn die Muskelkontraktion stimuliert wird (unter Beteiligung von Ca2+, Tropomyosin und Troponin), bindet der Myosinkopf wieder an das Actinfilament unter Bildung eines Actin-Myosin-ADP-Pi-Komplexes (4). Die Abgabe des Pi und anschließend des ADP ruft eine Konformationsänderung des Myosinkopfes hervor. Damit ist die Öffnung der ATP-Bindungsstelle verbunden, die sich in eine Bewegung der Kopf-Schaft-Verbindung umsetzt. Da der Myosinkopf und das Actinfilament fest miteinander verbunden sind, wird diese Bewegung auf das Actinfilament übertragen und dieses wird 10 nm zum Sarkomerzentrum hin verschoben (5). Der Myosin-Actin-Komplex hat – mit Ausnahme der Rechts-Verlagerung der Bindungsstelle – den ursprünglichen Zustand erreicht und kann wieder ATP binden.

11.1.3 Calciumionen wirken als Mediatoren zwischen der Membranerregung und der Kontraktion und Relaxation der Myofibrillen Um die willkürliche Kontraktion des Skelettmuskels auszulösen, ist eine intakte neurale Verbindung zum ZNS erforderlich. Die motorischen Nervenfasern verzweigen sich am Ende mehrfach und bilden an beiden Enden eine neuromuskuläre Endplatte. An dieser findet die Erregungsübertragung mittels des Neurotransmitters Acetylcholin (Abschnitt 1.1.3.3) vom Nerv auf das Sarkolemm statt. Im Skelettmuskel kann die Erregung nicht von einer Muskelfaser auf eine benachbarte übergreifen, jede kontrahierende Zelle ist auf eine direkte neurale Verbindung angewiesen.

528

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Motorische Endplatten sind nur in der Skelettmuskulatur vorhanden. Die zur rhythmischen Tätigkeit des Herzmuskels notwendigen Aktionspotentiale werden im Herzen selbst erzeugt, die Herztätigkeit ist also automatisch. Die Erregung breitet sich in diesem Muskeltyp über Zell-Zell-Kontakte (gap junctions) auf die benachbarten Herzmuskelfasern aus. Das vegetative Nervensystem steuert über die Ausschüttung der Neurotransmitter Adrenalin und Noradrenalin (Abschnitt 1.4.4.2) die Leistung des Herzmuskels. Bei der glatten Muskulatur kommen Muskelzellen vor, bei denen die Erregung über interzelluläre Membranverbindungen von einer Zelle auf benachbarte Muskelfasern überspringt. Dieser Muskeltyp, dessen Tätigkeit durch Neurotransmitter und Gewebshormone gesteuert wird, ist im Magendarmtrakt, im Uterus und im Ureter vertreten. In größeren Blutgefäßen und in Bronchien kommen dagegen glatte Muskelzellen vor, deren Kontraktion an die Aktivität des vegetativen Nervensystems gekoppelt ist. Die einzelnen Muskeltypen weisen ein unterschiedliches Ruhepotential auf (Tabelle 11.1). Wird die Erregung von einem Nerv auf das Sarkolemm übertragen, so entsteht ein Aktionspotential. Dieser bioelektrische Vorgang, der an der Grenzfläche zwischen Extra- und Intrazellulärraum zustandekommt, muss in den mechanischen Prozess der Kontraktion, der sich intrazellulär abspielt, übersetzt werden. Als Mediatoren der Informationsvermittlung, das heißt der elektromechanischen Kopplung, dienen Calciumionen, deren Konzentration in der Nähe des kontraktilen Apparates im Endeffekt durch das Aktionspotential gesteuert wird. Zur Auslösung der Kontraktion ist eine Ca2+Konzentration von 10–5 mol × L–1 erforderlich. Ca2+-Ionen spielen bei allen Muskeltypen eine regulatorische Schlüsselrolle, wenn auch die Steuerung bei den gestreiften Muskeln etwas anders ausfällt als bei der glatten Muskulatur. Der Skelettmuskel ist im Ruhezustand gehemmt. Als Inhibitor dient der TroponinKomplex, der über das Tropomyosin an das Actinfilament gebunden ist. Wie in Abbildung 11.4 dargestellt, blockiert dieses aus den drei Untereinheiten T, C und I bestehende Protein die Bindungsstelle des Myosinkopfes, die sich am Actinfilament befindet. Als Mechanismus der Deblockade wird angenommen, dass sich Ca2+-Ionen mit der C-Untereinheit verbinden und die C-Untereinheit innerhalb des Komplexes verlagern. Der Komplex erfährt eine Konformationsänderung und wird räumlich etwas verschoben. Dadurch wird die Bindungsstelle des Myosinkopfes freigegeben und der Kontraktionsprozess kann beginnen. Um die Bindungsstelle des Myosinkopfes auf diese Weise zugänglich zu machen, bedarf es einer lokalen Erhöhung der Calciumkonzentration. Im Sarkoplasma der

Actinfilament Ca 2+ Tropomyosin T

c I ICT-TroponinKomplex 11.4

Ca 2+

T c

I Myosinbindungsstelle

Freisetzung der Bindungsstelle des Myosinkopfes am Actin durch Ca2+-Ionen

11 Das Muskelgewebe – Energietransformator und Proteinspeicher

529

ruhenden Muskelzelle beträgt die Konzentration des ionisierten Calciums 10–7 bis 10–8 mol × L–1. Diese niedrige intrazelluläre Calciumkonzentration wird durch die Tätigkeit der Ca2+-ATPase aufrechterhalten (Abbildung 11.5). Diese primär aktive Calciumpumpe ist in der Membran des sarkoplasmatischen Reticulums lokalisert und befördert die Ca2+-Ionen gegen einen sehr hohen Konzentrationsgradienten aus dem Sarkoplasma in das Innere des sarkoplasmatischen Reticulums, wo die Konzentration des ionisierten Calciums 10–3 mol × L–1 erreicht. Zur Aufrechterhaltung der gleichmäßig hohen Calciumkonzentration im sarkoplasmatischen Reticulum des Skelettmuskels trägt das Speicherprotein Calsequestrin bei. Es ist ein niedrig-affines Bindungsprotein mit hoher Kapazität, das im sarkoplasmatischen Reticulum der Muskelzelle die Funktion eines intrazellulären Calciumspeichers hat. Die Depolarisation des Sarkolemms der Muskelzelle führt zu einer erhöhten Permeabilität dieser Membran für Ca2+-Ionen. Während der Dauer der Erregung dringen Ca2+-Ionen über einen spannungsregulierten Ionenkanal vom L-Typ aus dem Extrazellulärraum in die Muskelzelle und aktivieren kontraktile Filamente in unmittelbarer Nähe. Bei den dicken Filamentbündeln der Skelettmuskulatur und des Myokards ist jedoch die Diffusionsstrecke von der Plasmamembran bis zum kontraktilen Apparat zu lang, um die Kontraktion schnell genug auszulösen. Bei derartigen Muskelzellen hat die Plasmamembran im Bereich der Z-Linien weit ins Faserinnere reichende Einstülpungen, transversale Tubuli genannt (Abbildung 11.5). Durch Verzweigungen in die Längsrichtung bilden die Tubuli im Myokard ein relativ dichtes Membrannetz in der Nähe der Fibrillenbündel. Durch das Tubulussystem werden die Ca2+-Ionen schnell an die Myofibrillen herangeführt. Die longitudinal angeordneten Elemente des sarkoplasmatischen Reticulums, in denen – wie bereits erwähnt – hohe Calciumvorräte gespeichert werden, tragen zusätzlich zur Calciumversorgung des kontraktilen Apparates in der Skelett- und Herzmuskulatur bei. Das sarkoplasmatische Reticulum wird über synapsenartige Kontaktstellen (SR-Fuß) zur Abgabe von Ca2+-Ionen veranlasst, die über spezifische Calciumkanäle mit Ryanodin-Rezeptoren freigesetzt werden (Abbildung EZ-Raum Ca2+

ATP

T-Tubulus

ADP

Pi

Sarkoplasma

sarkoplasmatisches Reticulum

Ca2+–10–3 M

SR-Fuß

Ca2+– Kanal

ATP 2+

Ca

Calsequestrin

ADP

Pi

Sarkoplasma

Ca2+ < 10–7 M

11.5

Speicherung und Abgabe von Calcium-Ionen durch das sarkoplasmatische Reticulum SR-Fuß = Protein zur Übertragung des Aktionspotentials auf die Membran des SR; EZ = Extrazellulärraum; T-Tubulus = transversale Tubuli

530

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

11.5). Das sarkoplasmatische Reticulum des Myokards ist weniger stark ausgeprägt als das des Skelettmuskels. Deshalb ist der Herzmuskel in hohem Maße auf das Angebot an extrazellulärem Calcium angewiesen. In der glatten Muskulatur erfolgt die calciumabhängige Regulation der Kontraktion nicht über das geschilderte Tropomyosin-Troponin-System, da dieser Muskeltyp kein Troponin enthält. Für die Inhibierung der Myosin-Actin-Interaktion ist hier eine Myosin-Leichtkette zuständig. Die Aufhebung der Hemmung – und damit das Einsetzen der Kontraktion – geschieht, wie in Abbildung 11.6 dargestellt, durch eine Ereigniskette, in der die Phosphorylierung der Myosin-Leichtkette im Mittelpunkt steht. Dieses regulatorische Protein übt nämlich die inhibitorische Wirkung nur in der nichtphosphorylierten Form aus. Die Phosphorylierung wird durch die Myosin-Kinase katalysiert, die wiederum nur in Form eines Ca2+-Calmodulin-Myosin-Kinase-Komplexes aktiv ist. Zur Bildung dieses Komplexes ist eine hohe Ca2+-Konzentration von mindestens 10–5 mol × L–1 notwendig. Erreicht also die Ca2+-Konzentration im Sarkoplasma diesen Wert, beginnt

Calmodulin

10–5 mol • L–1 Ca2+

10–7 mol • L–1 Ca2+

Ca2+• Calmodulin Myosin-Kinase (inaktiv)

ATP

Ca 2+

Calmodulin-Myosin-

ADP

Kinase (aktiv)

Myosin-Leichtkette (inhibierend)

P ~ Myosin-Leichtkette (nicht inhibierend)

Phosphatase Pi

11.6

Regulation der Kontraktion der glatten Muskulatur

11 Das Muskelgewebe – Energietransformator und Proteinspeicher

531

der Kontraktionscyclus. Fällt die Konzentration des Ca2+ unter diesen Wert, hört die Aktivierung der Kinase auf und eine calciumunabhängige, stets aktive Phosphatase dephosporyliert die Myosin-Leichtkette. Da diese die Myosin-Actin-Interaktion in der dephosphorylierten Form inhibiert, tritt eine Relaxation des glatten Muskels ein. Im Endeffekt steuert also auch im Fall des glatten Muskels primär die Ca2+-Konzentration die gegenläufigen Ereignisse von Kontraktion/Relaxation. Physiologischerweise relaxieren alle Muskelzellen und dies ist mit dem Entfernen der Ca2+-Ionen, – die bei allen Muskeltypen eine regulatorische Schlüsselfunktion haben, – vom kontraktilen Apparat verbunden. Es gibt mehrere Wege zur Erniedrigung der Calciumkonzentration im Sarkoplasma. Ein Teil der Ca2+-Ionen werden durch die bereits erwähnte Ca2+-ATPase in das sarkoplasmatische Reticulum zurückgepumpt. Dieses primär aktive Transportsystem wird durch das Phospholamban, ein interkonvertierbares saures Proteolipid, stimuliert. Ein Na+/Ca2+-Antiporter und eine in der Plasmamembran lokalisierte Ca2+-ATPase transportieren das Calcium aus dem Sarkoplasma in den Extrazellulärraum. Ein Teil der Ca2+-Ionen wird auch in das Mitochondrion befördert, wo sie eine Rolle bei der Anpassung des oxidativen Stoffwechsels an den Energiebedarf der Muskelzelle spielen. Die meisten Transportvorgänge, die der für die Muskelfunktion so bedeutsamen Einstellung des intrazellulären Calciumspiegels in den Myocyten dienen, verbrauchen Energie. Etwa 25 % der Energie, die für die Funktion des Muskels notwendig ist, entfallen auf diese Transportprozesse. Der Transport des Calciums durch das Sarkolemm und die Membran des sarkoplasmatischen Reticulums steht unter der Kontrolle von β -adrenergen Neurotransmittern, zum Beispiel von Adrenalin. Ihre Wirkung wird über cAMP-abhängige Proteinkinasen vermittelt (Abschnitt 1.4.4.2). Diese phosphorylieren Kanalproteine und Ca2+-ATPasen im Sarkolemm, das Phospholamban des sarkoplasmatischen Reticulums sowie das Troponin C. Beim Myokard kommt es hierdurch insgesamt zu einer positiv inotropen Modulation.

11.2 Die Energieversorgung der Muskulatur ist durch mehrere ATP-Quellen gesichert Sowohl die Muskelkontraktion als auch der Transport von Ca2+ durch Calciumpumpen sind energieverbrauchende Prozesse. Der Stoffwechsel des Myocyten ist darauf spezialisiert, den recht hohen Energiebedarf der Muskulatur zu befriedigen, indem er verschiedene Substrate sehr effektiv und der aktuellen Stoffwechselsituation angepasst zur ATP-Synthese nutzt. Abbildung 11.7 fasst die ATP-Quellen des Muskels zusammen. In Ruhe oder bei leichter Aktivität werden vom Muskel Substrate zur Energiegewinnung genutzt, die aus anderen Organen stammen: die Blutglucose und die Ketonkörper aus der Leber, die Fettsäuren aus dem Fettgewebe und der Leber. Bei plötzlich einsetzender starker Aktivität dient bevorzugt das eigene Reservekohlenhydrat, das Glykogen, zur Energiegewinnung. Für die ATP-Versorgung bei plötzlicher starker Belastung sorgen außerdem zwei Transphosphorylierungsreaktionen: durch die Adenylat-Kinase und die KreatinKinase. Bei unzureichender O2-Versorgung dient die Substratkettenphosphorylierung in der glykolytischen Kette der ATP-Produktion. Bei ausreichender O2-Zufuhr wird die weitaus effektivere oxidative Phosphorylierung zur ATP-Synthese genutzt (Abschnitt

532

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Kreatinphosphat

Muskel-Glykogen

KREATINKINASE

Kreatin

MuskelPhosphorylase

Glykolyse

ADP

Glucose 6-P

Hexokinase Glucose

ATP Oxidative Phosphorylierung

Myosin-ATPase Ca2+-ATPasen

Muskelkontraktion + Ca2+-Transport ADP + Pi

TCC AMP 2 ADP

Acetyl CoA Fettsäuren

11.7

Ketonkörper

AdenylatKinase

Möglichkeiten der ATP-Gewinnung durch den Muskel TCC = Tricarbonsäurecyclus

5.1 und 5.2). Welches der Substrate bevorzugt energetisch verwertet wird, hängt außer von der O2-Versorgung vom Typ der Muskelfaser ab. Nach der Funktion, für die sie vorgesehen sind und die sie ausüben, können zwei Muskelfasertypen auch biochemisch unterschieden werden: die TypI- und die TypII-Muskelfasern. Bei den TypI-Fasern, die Dauerarbeit und auch Haltearbeit ausführen, ist die Aktivität der Myosin-ATPase und der Ca2+-ATPase des sarkoplasmatischen Reticulums niedrig; sie kontrahieren und erschlaffen langsam. Sie enthalten viel Myoglobin als Sauerstoffspeicher, wie dies auch ihre tiefrote Färbung zeigt. Sie bevorzugen Fettsäuren zur Energiegewinnung. Entsprechend besitzen sie viele Mitochondrien und bilden wenig Lactat. Die Typ II-Fasern führen rasche Bewegungen aus. Bei diesen verhalten sich alle aufgezählten biochemischen Parameter anders. Sie bevorzugen Glucose als energetisches Substrat und produzieren bei ungenügender O2-Versorgung viel Lactat. Die beiden Muskelfaser-Typen unterscheiden sich auch durch verschiedene Isoformen der regulatorischen Proteine, Tropomyosin und Troponin. Die Skelettmuskeln des Menschen bestehen aus einer Mischung der beiden Fasertypen, wobei das Mischungsverhältnis je nach Funktion des betreffenden Muskels unterschiedlich ist und je nach Beanspruchung auch Variationen unterliegt.

11.2.1 Der Muskel kann das ATP aus Glucose anaerob oder aerob gewinnen Die Aufnahme der Glucose aus dem Blut in die Muskelzelle wird vom Glucosecarrier GLUT 4 vermittelt. Wie in Abschnitt 1.4.3.2 besprochen, steht dieses Transportsystem

11 Das Muskelgewebe – Energietransformator und Proteinspeicher

533

unter der positiven Kontrolle des Insulins, das die Transportkapazität des GLUT 4 drastisch erhöht. Infolge der großen Organmasse führt der Einstrom von Glucose in den Muskel auch zum Ausgleich einer nahrungsbedingten Hyperglykämie. Bei erhöhter Kohlenhydratzufuhr und entsprechend erhöhtem Insulinspiegel im Blut, entfallen unter Umständen 75 bis 95 % des Glucoseumsatzes auf den Skelettmuskel. Der Myocyt kann zum einen die Glucose zur ATP-Gewinnung und zum anderen bei hohem Angebot zur Auffüllung der Glykogenspeicher verwenden. Welche der beiden Möglichkeiten genutzt wird, hängt sowohl vom aktuellen Energiebedarf der Muskelzelle als auch von den Glykogenvorräten ab. Im Muskelgewebe können beträchtliche Glykogenvorräte angelegt werden. Der Muskel besitzt keine Glucose-6-Phosphatase und gibt daher keine Glucose an das Blut ab. Vielmehr hält der Muskel die Glucose, seinen bevorzugten Brennstoff für plötzliche Aktivität, zurück. Die ATP-Gewinnung aus Glucose kann in der Muskelzelle sowohl anaerob als auch aerob erfolgen. Welche der beiden Wege in Frage kommt, hängt – wie bereits erwähnt – von der O2-Versorgung und vom Muskelfasertyp ab. Das erste Enzym, das den Eintritt der Glucose in die glykolytische Kette katalysiert, ist die Hexokinase, die im Myocyten mit einem Km-Wert von 0,05 mmol × L–1 eine sehr hohe Affinität zur Glucose hat. Die normale Glucosekonzentration im Blut ist hoch genug, um die maximale katalytische Kapazität der Hexokinase auszulasten. Das Produkt der Hexokinase, das Glucose-6-phosphat, hemmt das Enzym reversibel, so dass sich ein Fließgleichgewicht einstellt. Dadurch wird einer Überflutung des Myocyten mit Glucose vorgebeugt, da die Glucose sowohl für den Eintritt in die Glykolyse als auch in die Glykogensynthese das Nadelöhr der Hexokinase passieren muss. In der anaeroben Glykolyse wird das Pyruvat am Ende der Kette durch die LactatDehydrogenase zu Lactat reduziert. Das in der Skelettmuskulatur vorkommende Isoenzym der Lactat-Dehydrogenase hat einen sehr niedrigen Km-Wert für Pyruvat, was eine sehr effiziente Umwandlung des Pyruvats in Lactat zur Folge hat. Die Lactatproduktion ist mit Entstehung von Protonen verbunden, da die Milchsäure beim pH-Wert der Zelle fast vollständig dissoziiert ist. Es wird angenommen, dass die Erhöhung der H+-Konzentration im Myocyten die eigentliche Ursache der „Muskelermüdung“ ist, die bei intensiver Muskeltätigkeit auftritt. Für die Richtigkeit dieser Annahme spricht, dass durch eine erhöhte H+-Konzentration in der Zelle eines der Schlüsselenzyme der Glykolyse, die Phosphofructokinase, gehemmt wird, wodurch auch die ATP-Produktion gedrosselt ist. Weiterhin werden die Ca2+-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Reticulum und die Aktivität der Myosin-ATPase durch einen niedrigen intrazellulären pH-Wert ungünstig beeinflusst. Beide Produkte der Lactat-Dehydrogenase-Reaktion, das Lactat und die H+ gelangen aus dem Myocyten über ein Transportsystem, das als Lactat-/H+-Symporter arbeitet, in das Blut. Hierdurch kann es zu einer Lactatämie kommen. Das Lactat wird von der Leber als gluconeogenetisches Substrat aufgenommen (Abschnitt 9.3.2). Dieser Weg, der Cori-Cyclus, verlagert einen Teil der Stoffwechsellast vom Muskel zur Leber. Im Ruhezustand beziehungsweise bei geringer Aktivität metabolisiert die Muskelzelle die Glucose aerob. Das in der Glykolyse entstandene Pyruvat wird durch die Pyruvat-Dehydrogenase in Acetyl-CoA überführt. Wie bereits ausführlich dargelegt, ist die ATP-Ausbeute im Falle der oxidativen Phosphorylierung mehrfach höher als bei der Substratkettenphosphorylierung (Abschnitt 5.2.1)

534

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

11.2.2 Der Muskel speichert Glykogen als Energiereserve und mobilisiert das Glucosepolymer bei Bedarf Alle Zellen, außer den Erythrocyten, enthalten geringe Mengen des Glucosepolymers Glykogen. Nennenswerte Mengen finden sich jedoch nur in der Leber und in der Muskulatur. Die Konzentration des Glykogens in der Muskulatur übersteigt nur selten 1 %. Durch die Größe des Organsystems bedingt, beträgt die Gesamtmenge des Muskelglykogens dennoch etwa 250 g. Im Sarkoplasma der Myocyten der gestreiften Muskulatur sind die Glykogengranula in der Nähe der I-Bande lokalisiert. Im Ruhezustand und bei ausreichender Kohlenhydratversorgung synthetisiert die Muskelzelle Glykogen als Energiereserve. Prinzipiell verläuft die Synthese des Glykogens im Myocyten und im Hepatocyten gleich. Dies gilt auch für die Regulation der Synthese. Während die Mobilisierung der Glykogenvorräte der Leber in erster Reihe der Versorgung des Gesamtorganismus mit Glucose dient, verwendet die Muskelzelle die aus dem Glykogen freigesetzte Glucose, um den eigenen Energiebedarf zu decken. Die Abgabe von Glucose aus den Muskelzellen ist nicht möglich, da die dazu notwendige Glucose-6-Phosphatase im Muskel nicht exprimiert wird. Prinzipiell wird das Muskelglykogen nach demselben Reaktionsmechanismus katabolisiert wie das Leberglykogen (Abschnitt 9.3.5). Wie bereits erwähnt, entsteht als Endprodukt des Abbaus an den 1,4-glykosidischen Bindungen Glucose-1-phosphat, das durch die Phosphoglucomutase sehr schnell zu Glucose-6-phophat isomerisiert wird. Für die energetische Verwertung in der Glykolyse besitzt das Glucose-1-phosphat insofern einen kinetischen Vorteil gegenüber der freien Glucose, als die HexokinaseReaktion umgangen wird. Auch im Muskel leitet die Glykogen-Phosphorylase, die aus dem Polymer das Glucose-1-phosphat abspaltet, die Reaktionskette ein. Die Glykogen-Phosphorylase des Muskels unterscheidet sich jedoch genetisch und immunologisch von der GlykogenPhosphorylase der Leber. Auch hinsichtlich der Regulation der beiden PhosphorylaseTypen gibt es Unterschiede. So wird die Kaskade des Glykogenabbaus in der Leber durch Adrenalin und Glucagon in Gang gebracht, im Muskel ist nur das Adrenalin wirksam. Die Regulation der Aktivität der Glykogen-Phosphorylase des Muskels erfolgt sowohl durch Interkonvertierung als auch allosterisch. Im Skelettmuskel existiert die Glykogen-Phosphorylase in zwei Formen: Phosphorylase a, die katalytisch aktiv ist, ohne dass sie eines allosterischen Aktivators bedarf, und Phosphorylase b, die in Abwesenheit ihres allosterischen Aktivators AMP inaktiv ist und im ruhenden Muskel überwiegt. Die Intensität des Glykogenabbaus hängt, zumindest teilweise, vom Verhältnis der aktiven Phosphorylase a und der weniger aktiven Phosphorylase b ab, und dieses wiederum steht unter der hormonelllen Kontrolle des Adrenalins. Das Enzym ist ein Dimer oder Tetramer aus 97 kDa-Untereinheiten. Die Phosphorylase b wird durch die Phosphorylierung eines einzigen Serinrestes in jeder Untereinheit in die Phosphorylase a umgewandelt. Die Phosphorylase b des Muskels ist nur in Gegenwart hoher AMP-Konzentrationen aktiv. AMP wirkt als positiver allosterischer Effektor, während ATP ein negativer allosterischer Effektor ist, indem es mit AMP um eine gemeinsame Bindungsstelle an der Phosphorylase b konkurriert. Die Phosphorylase-Kinase wird einerseits durch eine Adrenalin-induzierte Phosphorylierung aktiviert. Zum anderen wirkt Ca2+ über Calmodulin aktivierend. Diese Umwandlungsprozesse, die sich in Form einer regulatorischen Kaskade abspielen,

11 Das Muskelgewebe – Energietransformator und Proteinspeicher

535

sind in Abbildung 11.8 dargestellt. Es handelt sich um Interkonversionen durch enzymkatalysierte Übertragung und Abspaltung des Phosphatrestes durch Kinasen beziehungsweise Phosphatasen (Abschnitt 1.3.2.6). Ausgelöst wird die Kaskade durch Binden des Adrenalins an einen β-Rezeptor der Plasmamembran der Muskelzelle. Hierdurch wird die Adenylat-Cyclase aktiviert und die intrazelluläre cAMP-Konzentration erhöht sich (Abschnitt 1.4.4.2). Das cAMP überführt die inaktive cAMP-abhängige Protein-Kinase in die aktive Form (Abschnitt 1.1.3.6), welche dann die Phosphorylase-Kinase phosphoryliert und damit aktiviert. Im Muskel ist die Phosphorylierung des Serylrestes mit der Aggregation von zwei Phosphorylase b-Dimeren zu einem Tetramer verbunden. Beim Leberenzym sind die aktive und die inaktive Form Dimere. Es ist eine Spezialität der regulatorischen Kaskade in der Muskelzelle, dass die Regulation des Glykogenabbaus über die Ca2+-Konzentration mit der kontraktilen Aktivität des Myocyten synchronisiert wird. Das gleiche Signal, das die Muskelkontraktion auslöst, das heißt der Anstieg der sarkoplasmatischen Ca2+-Konzentration, erhöht auch die Glykogenolyse mehr als hundertfach. Erklärbar ist dieses Phänomen dadurch, dass eine der vier Untereinheiten der Phosphorylase-Kinase des Myocyten mit dem Ca2+bindenden Calmodulin identisch ist. Binden von 4 Ca2+ aktiviert diese Untereinheit. Auch die C-Untereinheit des Troponins, das ebenfalls 4 Ca2+-Ionen bindet (Abschnitt 11.1.3), scheint bei der Aktivierungskaskade eine Rolle zu spielen. Wie bei der Regulation der Glykogenolyse in der Leber wird der aktivierte Zustand der glykogenolytischen Kaskade auch in der Muskulatur dadurch rückgängig gemacht, dass die einzelnen Enzyme durch mehr oder minder spezifische Phosphatasen dephosphoryliert werden. Eine wichtige regulatorische Rolle dürfte dabei das Inhibitor-ProAdrenalin β-Rezeptor + AdenylatAdenylatCyclase Cyclase (inaktiv) (aktiv) + ATP

Insulin + Phosphodiesterase

Glykogen(n+1)

5‘-AMP

cAMP +

inaktive cAMP-abhängige Protein-Kinase

Inhibitor-Protein 1 (inaktiv) ATP

Pi aktive cAMP-abhängige Protein-Kinase

ADP

CalmodulinKomponente der PhosphorylaseKinase

ATP

Glucose-1-phosphat + Glykogen(n)

Phosphorylase a ADP

(aktiv)

ProteinPhosphatase

Phosphorylase-Kinase b + Ca2+ Phosphorylase-Kinase a (inaktiv)

H2O

(aktiv)

+ Ca Pi

ADP

2+

H2O

ProteinPhosphatase

P ~ Inhibitor-Protein 1 (aktiv)

11.8

Regulation der Glykogenolyse in der Muskelzelle

ATP

Phosphorylase b (inaktiv)

Pi

536

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

tein 1 spielen. Die hemmende Wirksamkeit dieses Proteins ist an seinen phosphorylierten Zustand gebunden. Da seine Phosphorylierung ebenfalls durch die aktive cAMP-abhängige Protein-Kinase katalysiert wird, übt es seine inhibierende Wirkung auf die Phosphatasen nur dann aus, wenn die glykogenolytische Kaskade aktiv ist. Es hat somit die Funktion eines Verstärkers. Eine weitere Spezifität der Regulation der Glykogenolyse im Muskel ist dadurch gegeben, dass die im ruhenden Muskel beinahe inaktive dephosphorylierte Phosphorylase b durch AMP allosterisch aktiviert wird. Hierzu ist es notwendig, dass der intrazelluläre AMP-Spiegel eine bestimmte Höhe erreicht. Dies tritt umso schneller ein, je höher der ATP-Verbrauch des Myocyten ist, eine Situation, in der die forcierte Nachlieferung von Energiesubstraten notwendig ist. Die allosterische Aktivierung der Phosphorylase b durch AMP erfolgt innerhalb von Millisekunden, während die Interkonversion Sekunden bis Minuten beansprucht.

11.2.3 Fettsäuren und Ketonkörper werden von der Muskelzelle zur aeroben Energiegewinnung verwendet Adrenerge Stimulation durch Wirkung der Catecholamine führt im Fettgewebe zu einer Steigerung der Lipolyse und Abgabe von freien Fettsäuren an das Blut. Die Fettsäuren gelangen proportional ihrer arteriellen Konzentration durch Diffusion in die Muskelzelle. Bei reichlicher Zufuhr wird ein bestimmter Anteil der Fettsäuren in Form von Triglyceriden als Energiereserve gespeichert. Das hierzu notwendige α-Glycerophosphat wird allerdings der Glykolyse entzogen, da die Aktivität der Glycerokinase im Myocyten sehr niedrig ist. Limitierte Glucose- und Glykogenverfügbarkeit begrenzen also die Triglyceridsynthese in der Muskelzelle, und die Fettsäuren werden in dieser Stoffwechsellage bevorzugt zur oxidativen Energiegewinnung herangezogen. Im ruhenden Muskel sind Fettsäuren der Hauptbrennstoff. Bei fortgesetzter mittelschwerer Muskeltätigkeit werden sie die hauptsächlichen Energielieferanten, da in dieser Situation die ebenfalls adrenerg stimulierte Glykogenolyse bald zur Erschöpfung des Glykogenbestandes führt. Die vermehrte Fettsäureoxidation hemmt die Aufnahme der Glucose in die Muskelzelle und ihren Durchsatz in der Glykolyse. Dieser Hemmeffekt wirkt also glucosesparend und ist hauptsächlich auf den erhöhten Acetyl-CoA-Spiegel in der Muskelzelle zurückzuführen. Prinzipiell kann die Muskelzelle auch die Ketonkörper β -Hydroxybutyrat und Acetoacetat zur oxidativen Energiegewinnung verwerten. Sie werden durch die in Abbildung 11.9 dargestellten Reaktionen in Acetyl-CoA überführt und in die β-Oxidation eingeschleust. Die Succinyl-CoA-Acetoacetyl-CoA-Transferase ist im Myocyten mit hoher Aktivität vertreten. Die Ketonkörper, die ausschließlich in der Leber synthetisiert werden, nimmt die Muskelzelle ebenfalls dosisproportional aus dem Blut auf. Ketonkörper entstehen in größerem Umfang allerdings nur bei Hunger und bei diabetischer Stoffwechsellage. Es sei nicht unerwähnt, dass auch der Abbau der verzweigtkettigen Aminosäuren Leucin und Isoleucin, der vor allem im Muskel stattfindet, Ketonkörper liefert (Abschnitt 11.3). Diese können im Muskel ebenfalls oxidativ verstoffwechselt werden, die dadurch gewonnene Energiemenge ist allerdings gering. Der Herzmuskel, der in einem regelmäßigen Rhythmus von Kontraktion und Erschlaffung aktiv ist, gewinnt die Energie ausschließlich aerob. Dieser Muskeltyp ist entsprechend außerordentlich reich an Mitochondrien. Die zur ATP-Produktion notwendi-

11 Das Muskelgewebe – Energietransformator und Proteinspeicher

537

CH3 HC

OH

CH2 COO

–

β-Hydroxybutyrat β-HydroxybutyratDehydrogenase

NAD+ NADH + H+

CH3 C

–

COO O

CH2

CH2 COO

CH2

–

C S

Acetoacetat

O

Succinyl-CoA-Acetoacetyl-CoA-Transferase CH3 C

Succinyl-CoA –

COO

O

CH2

CH2 C

CoA

S

CoA

O

CH2 COO

–

Succinat

Acetoacetyl-CoA CoA-SH

2 Acetyl-CoA

11.9

Überführung der Ketonkörper in Acetoacetyl-CoA

gen Substrate, Fettsäuren, Ketonkörper und Glucose, werden vom Blut angeliefert. Der Herzmuskel speichert weder Glykogen noch Triglyceride in nennenswerten Mengen.

11.2.4 Zur schnellen Regenerierung von ATP dienen Transphosphorylierungen In der Muskelzelle besteht die Möglichkeit, das ADP, das durch die katalytische Wirkung der Myosin-ATPase während der Kontraktion entstanden ist, durch Transphosphorylierung schnell wieder in ATP umzuwandeln. Das Enzym, das die Reaktion katalysiert, die Adenylat-Kinase, ist direkt mit der ATP-Hydrolyse gekoppelt. Aus 2 mol ADP entstehen 1 mol ATP und 1 mol AMP (Abbildung 11.7). Wesentlich effektiver als diese Transphosphorylierung, die durch die relativ niedrige Konzentration der Adenylreste limitiert wird, ist die Regeneration des ATP mittels Kreatinphosphat. Das Kreatin entsteht nicht im Stoffwechsel des Myocyten, sondern es wird in der Niere – wie Abbildung 11.10 zeigt – aus Arginin und Glycin über Guanidinoacetat synthetisiert, das in der Leber zu Kreatin methyliert wird. Das Kreatin ge-

538

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Niere

NH2

+

H2 N

Arginin-GlycinTransamidinase

C NH

+

H2N

CH2 +

H3N

CH2 C

CH2

–

COO

Ornithin

Glycin

NH3+

COO–

H N

O

Muskel nicht-enzymatisch

C CH2

CH3

N

Pi + HO2

CH2

CH3

N

COO–

ATP

ADP

Kreatin

P

NH C

HN

C

Kreatinin 11.10

Kreatin-Kinase

NH2 HN

N

Leber GuanidoacetatMethyltransferase

S-AdenosylHomocystein

C

COO–

CH2

Guanidinoacetat

S-AdenosylMethionin

L-Arginin

HN

NH 2 HN

CH2

H

C

CH2

CH3

Kreatinphosphat

Synthese von Kreatin und Kreatinphosphat

langt über das Blut in die Muskulatur. Die Kreatin-Kinase, die in der Muskelzelle mit hoher Aktivität vorkommt, katalysiert die reversible Phosphorylierung des Kreatins mittels ATP. Das Kreatinphosphat stellt eine sofort verfügbare Energiequelle dar, da sobald durch die Hydrolyse von ATP, ADP entsteht – sei es bei der Kontraktion, sei es bei Transportprozessen – die Kreatin-Kinase den Phosphatrest vom Kreatinphosphat auf das ADP überträgt. Wie die Daten der Tabelle 11.3 zeigen, ist das Konzentrationsverhältnis von ATP zu Kreatinphosphat in den einzelnen Muskeltypen unterschiedlich. Im Skelettmuskel stellt vor allem das Kreatinphosphat den Enrgiespeicher dar. Im Herzmuskel ist das Konzentrationsverhältnis ATP zu Kreatinphosphat nahezu 1. Der glatte Muskel enthält insgesamt weniger energiereiche Verbindungen als der Skelettmuskel und etwa dreimal mehr ATP als Kreatinphosphat.

Tabelle 11.3: ATP- und Kreatinphosphat-Konzentration in verschiedenen Muskeltypen

Muskeltyp

ATP mmol × kg–1 Gewebe

COO–

Kreatinphosphat mmol × kg–1 Gewebe

Skelettmuskel

5

20

Herzmuskel

1,5

2

Glatter Muskel

2

0,7

11 Das Muskelgewebe – Energietransformator und Proteinspeicher

539

Das Kreatin wird im Muskel durch nicht-enzymatische Wasserabspaltung in das Anhydrid des Kreatins, in das Kreatinin, umgewandelt und renal ausgeschieden. Die in 24 Stunden ausgeschiedene Menge an Kreatinin ist beim einzelnen Individuum bemerkenswert konstant und der Muskelmasse proportional. Dieser Parameter dient daher zur Abschätzung der Muskelmasse und wird außerdem als Bezugsgröße zur Beurteilung der renalen Exkretion verschiedener Substanzen verwendet.

11.3 Die Skelettmuskulatur enthält die größte Proteinreserve des Organismus Hauptaufgabe der Skelettmuskulatur ist es, die für Bewegungen jeglicher Art notwendige Kraft zur Verfügung zu stellen. Nebenbei hat sie jedoch auch eine bedeutende Stoffwechselfunktion, da sie mit etwa 60 % des Gesamteiweißbestandes den Hauptspeicher an Proteinen beziehungsweise Aminosäuren repräsentiert. Bekanntlich führt eine prolongierte kalorische Unterernährung, insbesondere beim Erwachsenen, zu beachtlichen Verlusten an Muskelprotein. Die beim Proteinabbau freiwerdenden Aminosäuren werden in dieser Situation teilweise zur Proteinsynthese in anderen Organen verwendet, um vitale Funktionen zu befriedigen, teilweise aber auch zur Energiegewinnung genutzt. Die in vivo-Bestimmung des Ursprungs der Aminosäuren, die in katabolen Stoffwechselsituationen freigesetzt werden, bereitet im allgemeinen Probleme. Die Aminosäuren werden umverteilt und eventuell in anderen Organen reutilisiert. Die Hauptmuskelproteine Myosin und Actin besitzen einen intrinsischen Marker, da zahlreiche Histidylreste des Peptidverbandes translational methyliert worden sind (Abschnitt 4.3.1.2). Das Methylhistidin kann zur Resynthese von Proteinen nicht verwendet werden und erscheint im Urin. Somit ist die Ausscheidung von Methylhistidin ein verlässlicher Indikator zur Bestimmung der Abbaurate der Myofibrillenproteine beim Menschen. Trotz dieser günstigen experimentellen Ausgangslage ist der Muskelproteinumsatz beim Menschen bei weitem nicht zufriedenstellend geklärt. Die Muskelproteine haben, wie die meisten hochmolekularen Biomoleküle einen ständigen turnover. Insbesondere die Skelettmuskulatur wird dabei der Beanspruchung entsprechend remodelliert. Ob beim turnover der Muskelproteine die anabolen oder die katabolen Prozesse übewiegen – und damit die „Bilanz“ positiv oder negativ ausfällt – , hängt nicht zuletzt von der hormonellen Situation ab. Tabelle 11.4 enthält eine Übersicht über die Wirkung der hauptsächlichen Hormone auf die Synthese und Abbau der Muskelproteine und über die „Bilanz“, die sich aufgrund der beiden gegenläufigen Prozesse ergibt. Die molekulare Wirkung der Hormone beim Metabolismus der Proteine ist mit Sicherheit sehr komplex und im Einzelnen nicht geklärt. Wahrscheinlich handelt es sich in den meisten Fällen nicht nur um direkte Effekte auf den Prozess der Synthese und des Abbaus. Aufgrund zahlreicher neuerer Studien erhöht das Insulin die Proteinbiosynthese beim Erwachsenen ausschließlich dann, wenn dem Muskel Aminosäuren in unphysiologisch hoher Konzentration angeboten werden. Der bekannte anabole Effekt des Insulins auf die Muskelmasse dürfte viel eher durch eine erhebliche Reduktion der Abbaurate als durch Förderung der Proteinsynthese erklärbar sein. Sowohl das Wachstumshormon als auch die Insulin-ähnlichen-Wachstumsfaktoren (IGF) stimulieren die Proteinsynthese im Muskel, wenn sie direkt in das Muskel-

540

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Tabelle 11.4: Hormonelle Regulation des Muskelproteinumsatzes beim Menschen Hormone

Proteinsynthese

Proteinabbau

Bilanz

+/–

↓

↑

Insulin

↑

↓

↑↑

↑ oder +/–

?

↑

↑

+/– oder ↓

↑

Insulin + Aminosäuren Wachstumshormon Insulin like growth factor (IGF)

↑

?

↑

+/–

+/–

+/–

?

↑

↓

+/–

↓

↑

Glucagon + Glucocorticoide + Adrenalin

↑

↑↑

↓

Schildrüsenhormone

?

?

↓

Testosteron Glucagon Glucocorticoide Adrenalin

Quelle: Annual Review of Nutrition 17, 457–485 (1997)

gewebe injiziert werden. Unsicher ist der Effekt dieser Hormone bei systemischer Verabreichung. Während das Wachstumshormon den Proteinkatabolismus möglicherweise nicht beeinflusst, verlangsamt ihn der IGF wahrscheinlich. Insgesamt ergibt sich bei beiden Hormonen ein stimulierender Effekt auf die Entwicklung der Muskulatur. Testosteron übt seine anabole Wirkung nicht direkt aus, sondern über Förderung des IGF-Effektes. Das Glucagon, die Glucorticoide und die Catecholamine gelten insgesamt als katabole Hormone. Dennoch dürfte zumindest das Adrenalin den Proteinabbau des Muskels verlangsamen und damit zu einer positiven Bilanz des Proteinumsatzes führen. Bei gleichzeitiger Verabreichung aller drei Hormone – was auch dem physiologischen Zustand entspricht – kommt es zu einer eindeutigen Verstärkung des katabolen Effektes. Auch die Schilddrüsenhormone wirken sich negativ auf den Proteinumsatz aus, wenn auch die Ebene ihrer Wirkung unbekannt ist. Die Muskelzelle verwendet die bei der Proteolyse freigewordenen Aminosäuren nur zu einem verschwindend geringen Anteil zur Deckung ihres Energiebedarfs. Der Endabbau der Aminosäuren ist in erster Reihe auf die Leber konzentriert (Abschnitt 9.4.2). Lediglich die Gruppe der verzweigtkettigen Aminosäuren bildet eine Ausnahme. Diese werden außer in der Niere vor allem im Skelett- und Herzmuskel verstoffwechselt. Abbildung 11.11 zeigt die einzelnen Schritte des Abbaus von Valin, Isoleucin und Leucin. Die Abbauwege weisen mehrere gemeinsame enzymatische Reaktionen auf. Jede der drei Aminosäuren hat jedoch ihre Spezialitäten, die in der Abbildung mit roten Nummern gekennzeichnet sind. Die Endprodukte sind entweder direkt oder nach geringfügiger Umwandlung – wie das Propionyl-CoA (Abschnitt 4.4.2.6) – im Tricarbonsäurecyclus verwertbare Metaboliten. Sie tragen also – wenn auch in quantitativ unbedeutendem Maße – zur Energieversorgung des Myocyten bei. Die energetische Verwertung der verzweigtkettigen Aminosäuren ist im ruhenden Skelettmuskel stark eingeschränkt, da die α-Ketosäuredehydrogenase (in Abbildung

11 Das Muskelgewebe – Energietransformator und Proteinspeicher

Valin

–

OOC

–

H CH3 CH C CH3 + NH3

CH

O

CoA

S~C O

CoA

S~C O

CoA

S~C O

Leucin

Isoleucin

C

OOC

541

CH3 CH3

CH3

CH

–

OOC

CH2 CH3

CH

CH2 OH CH3

O

CH3 CH2 CH CH3

S~C O

CH3 CH2 CH CH3

–

C

OOC

CoA

CH3

C

CH3 H CH2 C CH CH3 + NH3

CoA

CoA

S~C O

CH3 CH CH CH3

S~C O

CH3 CHOH CH CH3

S~C O

CH3 CO CH CH3

–

OOC

H C CH2 + NH3

CH

CH3 CH3 1

–-

C O

CH2 CH

CoA-S ~ C O

CH2 CH

OOC

CH3 CH3

2

CH3 CH3 3

CoA-S ~ C O

CH

CoA-S~ C O

CH

CH

CH3 CH3 4 –

CH

CH2COO CH3 5

6 –

OOC

–

OOC

CH

CH

CH2OH CH3 CHO

CoA

CH3

OOC

CoA CH2 CH2

O C~S CoA

Succinyl-CoA 11.11

–

CoA-S~ C O

CH2 C

O

8

–

7

S~ C

CH3

O CoA

S~ C CH 2 CH3 Acetyl-CoA und Propionyl-CoA

CH2COO OH CH3 9

O CoA

S~ C

CH3

CH3—CO—CH2—COO –

Acetyl-CoA und Acetacetat

Abbau der verzweigtkettigen Aminosäuren 1 = Transaminierung; 2 = dehydrierende Decarboxylierung; 3 = Dehydrierung; 4 = Carboxylierung; 5 = Hydratisierung; 6 = Deacylierung; 7 = Dehydrierung; 8 = Acylierung mit CoA und Isomerisierung; 9 = C–C-Spaltung; Rote Nummern: für die betreffende Aminosäure spezifische Schritte Quelle: Löffler, G., Petrides P. E. (1997) Biochemie und Pathobiochemie 5. Aufl. S. 554 (modifiziert).

542

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Glucose

BLUT

LEBER

Glykogen

Glucose-6-phosphat

Glucose-6-phosphat Glykogen

Transaminierung

Harnstoff

Pyruvat

Alanin

Lactat

Lactat

Pyruvat

MUSKEL

Transaminierung Lactat Pyruvat Alanin

Alanin

BLUT 11.12

Substanzaustausch zwischen dem Muskel und der Leber (Alanin-Cyclus; Cori-Cyclus)

11.11 mit 2 bezeichnet) vorwiegend phosphoryliert und daher im inaktiven Zustand vorliegt. Die entstandenen verzweigtkettigen α -Ketosäuren werden in dieser Situation in den Herzmuskel, die Leber und die Niere aufgenommen und dort verstoffwechselt. Im arbeitenden Muskel wird die α-Ketosäuredehydrogenase dephosphoryliert und damit der Endabbau der verzweigtkettigen Aminosäuren ermöglicht. Wie bereits erwähnt, verwendet die Leber zur Gluconeogenese (Abschnitt 9.4.3.2) vor allem glucogene Aminosäuren. Hauptlieferant dieser gluconeogenetischen Substrate ist die Skelettmuskulatur, zumal die gluconeogenetische Stoffwechsellage im allgemeinen auch eine proteolytische Stoffwechselsituation ist. Die wichtigste glucogene Aminosäure ist das Alanin, das durch eine einfache Transaminierung in Pyruvat umgewandelt und damit direkt in die Gluconeogenese eingeschleust wird. Die Muskulatur gibt weit mehr Alanin an das Blut ab, als aus der Proteolyse der Muskelproteine entstehen könnte. Der restliche Anteil des Alanins entsteht durch Übertragung von Aminogruppen von anderen Aminosäuren, vor allem von den verzweigtkettigen, durch Transaminierung auf Pyruvat. Wie Abbildung 11.12 zeigt, ist das Pyruvat vor allem Endprodukt der Glykolyse, die sich an den Glykogenabbau anschließt. Das Alanin erreicht auf dem Blutweg die Leber und durch Umkehrung der Transaminierung entsteht daraus wieder Pyruvat, das gluconeogenetisch verwertet wird. Die entstandene Glucose wird über das Blut zum größten Teil der Muskulatur zur Verfügung gestellt. Dieser Austauschprozess zwischen den beiden Organen wird als GlucoseAlanin-Cyclus bezeichnet. Damit vergleichbar ist der Glucose-Lactat-Cyclus, auch Cori-Cyclus genannt. Dabei liefert die Muskulatur das Lactat, das in der Leber über die Lactat-Dehydrogenase-Reaktion zu Pyruvat dehydriert und damit ebenfalls zur Glucosesynthese vewendet wird. Die zweite Aminosäure, die aus der Muskulatur in überproportional hohen Mengen freigesetzt wird, ist das Glutamin. Das Glutamin, dessen Konzentration in der Muskelzelle mit etwa 20 mmol × L–1 sehr hoch ist, entsteht im Myocyten hauptsächlich aus Glutamat und Aspartat. Es gilt als Transportmetabolit für das Kohlenstoffgerüst von Aminosäuren, die bei der Proteolyse im Myocyten frei werden. Das Glutamin wird weniger von den Hepatocyten als von Zellen des Darms und der Niere aufgenommen.

12

Die Niere als Ausscheidungsorgan

Die beiden Nieren des Menschen haben gemeinsam ein Gewicht von etwa 300 g. Trotz der relativ geringen Größe dieses paarigen Organs extrahieren die Nieren pro Minute circa 20 ml Sauerstoff aus dem Blut, was für eine intensive oxidative Energiegewinnung spricht. Wie noch besprochen wird, dient ein erheblicher Anteil dieser Energie Transportvorgängen, die mit der renalen Ausscheidungsfunktion im Zusammenhang stehen. Die exzellente Sauerstoffversorgung der Nieren ist die Folge der reichlichen Blutzufuhr über ein dichtes Kapillarnetz. Mit etwa 1 200 ml Blut pro Minute entspricht sie etwa 25 % des Herzminutenvolumens, das heißt das gesamte Blutvolumen passiert alle 4 bis 5 Minuten die Nieren. Für die Funktion der Nieren ist es von Bedeutung, dass die renale Durchblutung einer Autoregulation unterliegt. Zwischen 75 und 200 mm Hg bleibt der Blutfluss durch das Organ trotz steigenden Druckes konstant. Dies ist dadurch möglich, dass der Gefäßwiderstand in den Nieren immer in dem Maße zunimmt, in dem der Perfusionsdruck steigt. Die Autoregulation des renalen Blutflusses zieht als Konsequenz die Autoregulation der glomerulären Filtration nach sich (Abschnitt 12.2.1). Wie bereits wiederholt erwähnt, ist die Konstanz der chemischen Zusammensetzung der extrazellulären Flüssigkeit die unbedingte Voraussetzung für die Funktion aller Körperzellen (siehe insbesondere Abschnitt 8.3.5). Ihre Aufrechterhaltung ist ganz generell die Hauptaufgabe der Nieren als Ausscheidungsorgan. Im einzelnen üben die Nieren folgende Funktionen aus, die näher besprochen werden: – – – – –

Kontrolle des Wasser- und Elektrolythaushaltes; Kontrolle des Säure-Basen-Haushaltes; Ausscheidung der Endprodukte des Stickstoffstoffwechsels; Ausscheidung von Fremdstoffen und Endokrine Funktionen.

12.1 Der spezifische histologische Aufbau ist die Grundlage der renalen Funktionen Die großartige exkretorische Leistung der Nieren ist an eine besondere Feinstruktur des Organs gebunden. Bereits makroskopisch lassen sich bei der durchschnittenen Niere mehrere Zonen unterscheiden, die stark schematisiert Abbildung 12.1 zeigt. Die 1 bis 1,5 cm breite äußere Zone, die Nierenrinde (Cortex), die direkt unterhalb der bindegewebigen Nierenkapsel liegt, ist bräunlich gefärbt. Das darunter liegende Nierenmark (Medulla) besteht aus 8 bis 10 großen pyramidenförmigen Lappen, deren Spitzen mit den feinen Öffnungen der Nierenpapillen versehen sind und in die Nierenkelche hin-

544

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Nierenpapillen

inneres Nierenmark

V. renalis

A. renalis

äußeres Nierenmark

Nierenbecken

Bindegewebe

Nierenrinde Nierenkapsel 12.1

Zonaler Aufbau der Niere

einragen. Das Nierenmark gliedert sich in das rötlich gefärbte äußere und in das hellere innere Mark. Die Zonen des Nierengewebes sind nicht nur histologisch verschieden, sondern weisen auch hinsichtlich ihres Stoffwechsels erhebliche Unterschiede auf. Die Nephrone stellen die funktionellen Einheiten der Nieren dar, von denen jede der beiden Nieren durchschnittlich eine Million enthält. Abbildung 12.2 zeigt den Aufbau eines Nephrons mit den zugehörigen Blutgefäßen. Das einzelne Nephron besteht aus dem Glomerulus (Nierenkörperchen) und den Tubuli (Nierenkanälchen). Der tubuläre Teil gliedert sich in den gewundenen proximalen Tubulus, die gestreckte absteigende und aufsteigende Henle-Schleife und den gewundenen distalen Tubulus. Die distalen Tubuli mehrerer Nephrone münden in ein gemeinsames gestrecktes Sammelrohr, das zum papillären Harnpol der Niere hinführt. Alle Nephrone sind fächerartig so angeordnet, dass sie mit ihren Längsachsen zu den Nierenkelchen hin orientiert sind (siehe Abbildung 12.1). Abbildung 12.3 verdeutlicht die topologische Anordnung der Nephrone in den Zonen des Nierengewebes. Je nach Lokalisation der Glomeruli und Ausdehnung der Tubulusschleifen unterscheidet man oberflächliche (corticale) und tiefe (juxtamedulläre) Nephrone. Wie die Skizze zeigt, stehen in Richtung Nierenkelch absteigende und in Richtung Rinde aufsteigende Tubulusabschnitte gegenüber, die sich in enger räumlicher Verbindung mit den Sammelrohren befinden. Auch die Blutgefäße, die jedes Nephron begleiten, verlaufen parallel zu den Tubulusabschnitten. Die Gesamtheit dieser Strukturen bildet das Gegenstromsystem, das die histologische Grundlage der Harnkonzentrierung nach dem Gegenstromprinzip bildet.*

* In den Lehrbüchern der Physiologie ausführlich behandelt (siehe Literaturempfehlungen).

12 Die Niere als Ausscheidungsorgan

12.2

545

Aufbau eines Nephrons mit den zugehörigen Blutgefäßen

Das Gefäßsystem der Nephrone hat eine nierenspezifische Anordnung. Das arterielle Blut gelangt über die Arteria renalis in die Arteria arcuata. Aus dieser zweigen senkrecht zur Nierenoberfläche weitere Arterien ab, von denen schließlich allseits afferente Arteriolen abgehen. Diese Arteriolen verzweigen sich in den Glomeruli zu den glomerulären Kapillaren. Diese treten aus dem Glomerulus zu efferenten Arteriolen vereinigt wieder aus und versorgen weitere Glomeruli der Nierenrinde mit Blut. Das Nierenmark wird, im Gegensatz zur Nierenrinde, nicht durch Arterien, sondern durch die efferenten Arteriolen der juxtamedullären (marknahen) Glomeruli versorgt. Über die aufsteigenden Vasa recta gelangt das venöse Blut über mehrere Venen in die Vena renalis und mündet schließlich in die Vena cava. Die bereits einleitend erwähnte außerordentlich gute Durchblutung der Nieren ist für die Filtrationstätigkeit ausschlaggebend. Sie ermöglicht damit die Aufrechterhaltung

546

12.3

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Topographische Anordnung zweier Nephrone

der Homöostase durch Exkretion ausscheidungspflichtiger Substanzen endogenen und exogenen Ursprungs. Für die Filtratbildung ist vor allem die Rinde zuständig, weshalb sie auch etwa 90 % des renalen Blutflusses erhält, während auf das äußere Mark etwa 8 bis 9 % und auf das innere 1 bis 2 % des Flusses entfallen. Die einzelnen Abschnitte des Nephrons weisen eine stark differenzierte, den unterschiedlichen Funktionen adäquate zelluläre Feinstruktur auf. Der Glomerulus ist das kapselartig geformte geschlossene obere Ende eines Tubulus (Bowman-Kapsel), in den ein Knäuel aus Blutkapillaren eingestülpt ist. Das Ultrafiltrat aus dem Kapillarblut tritt hier in das tubuläre System des Nephrons über, wozu es das fenestrierte Kapillarendothel, die Basalmembran und eine komplexe Epithelschicht überwinden muss. Der proximale Tubulus ist mit einer relativ durchlässigen Epithelschicht ausgekleidet, die dem Epithel des Dünndarms sehr ähnlich ist. Die Epithelzellen haben an der luminalen Seite eine Bürstensaummembran mit zahlreichen langen Mikrovilli. Hierdurch

12 Die Niere als Ausscheidungsorgan

547

wird die luminale Oberfläche der Zelle etwa sechzigfach vergrößert. Die basale Membran der Epithelzelle, die der Blutseite hin gewandt ist, ist mit der Basalmembran des Tubulus verbunden. Die strukturelle Integrität des Epithels wird durch den Schlussleistenkomplex, mit Desmosomen, tight junctions und zellulären Adhäsionsmolekülen gewährleistet. Zwischen den Epithelzellen sind Zwischenzellräume vorhanden, wodurch der parazelluläre Durchtritt von Substanzen in das Interstitium ermöglicht wird. Die Epithelzellen des proximalen Tubulus enthalten zahlreiche Mitochondrien, die für die Bereitstellung von ATP für die aktiven und sekundär aktiven Transportprozesse zuständig sind. Die Epithelzellen der dünnen absteigenden Henle-Schleife sind wesentlich flacher, haben nur wenige kurze Mikrovilli und auch nur wenige Mitochondrien. Die interzelluläre Zona occludens ist durchlässig. Das Epithel des dicken aufsteigenden Segmentes ist weniger durchlässig, und das Vorhandensein von relativ vielen Mitochondrien lässt auf aktive Transportprozesse schließen. Der distale Tubulus besitzt hohe Epithelzellen mit einem spärlichen Besatz von kurzen Mikrovilli. Die Zona occludens ist hier mehrreihig und dicht. Die Sammelrohre sind mit kubisch geformten Epithelzellen ausgekleidet, die wenige Mikrovilli haben. Zwei Drittel dieser Epithelzellen, die Hauptzellen, sind hell, während die Schaltzellen durch den Besitz zahlreicher Zellorganellen dunkler erscheinen. Für die endokrine und sonstige spezifische Funktionen der Nieren ist eine als juxtaglomerulärer Apparat bezeichnete Zellansammlung von Bedeutung. Diese Zone befindet sich am proximalen Ende des distalen Tubulus jedes Nephrons, wo dieser Kontakt mit den afferenten und efferenten Arteriolen des betreffenden Glomerulus hat. Zum juxtaglomerulären Apparat gehören die Renin produzierenden granulierten Zellen in der Wand des Vas afferens, die Macula densa-Zellen in der Wand des distalen Tubulus und die Mesangium-Zellen im Raum der Bowman-Kapsel.

12.2 Die Hauptaufgabe der Nieren ist die Ausscheidung von Wasser und wasserlöslichen Substanzen mit dem Harn Eine Blutzufuhr von 1 200 ml × min–1 entspricht ungefähr einem Plasmafluss von 600 bis 700 ml × min–1, wovon in den Glomeruli beider Nieren etwa 125 ml pro Minute filtriert werden. Dies ergibt die erstaunlich hohe Menge von etwa 180 l Primärharn in 24 Stunden. Bekanntlich ist jedoch das Volumen des täglich ausgeschiedenen Endharns mit 500 bis 2 000 ml sehr viel kleiner. Die Reduktion des Urinvolumens geschieht durch Rückresorption des Wassers im tubulären Apparat. Sie wird von der selektiven – in einigen Fällen hormonell gesteuerten – Wiedergewinnung der im Primärharn gelösten Substanzen begleitet. Außerdem werden einige Verbindungen in das Tubuluslumen sezerniert. Die quantitative Zusammensetzung des Endharns resultiert also aus der glomerulär filtrierten und tubulär sezernierten, abzüglich der tubulär rückresorbierten Substanzmenge. Da das Volumen des Endharns in den oben angegebenen Grenzen variieren kann, können die darin enthaltenen Ausscheidungsprodukte mehr oder minder konzentriert sein.

548

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

12.2.1 Die glomeruläre Filtration ist ein druckabhängiger passiver Prozess Durch die glomeruläre Filtration wird dem Blut, das die Glomeruli durchströmt, etwa ein Fünftel des Plasmawassers entzogen. Die hohe Filtrationsrate wird durch die relativ hohe Durchlässigkeit der glomerulären Kapillaren, durch die große Filterfläche und durch den effektiven Filtrationsdruck ermöglicht. Der Blutdruck in den glomerulären Kapillaren beträgt circa 48 mm Hg, ist jedoch für die Filtration nicht voll nutzbar, da ihm der Druck der relativ starren Bowman-Kapsel sowie der kolloidosmotische Druck der Plasmaproteine entgegen wirken. Somit beträgt der effektive Filtrationsdruck etwa 15 mm Hg, der jedoch ausreicht, um ein Ultrafiltrat des Blutplasmas zu erzeugen, das neben dem Lösungswasser alle kleinen, nicht an Makromoleküle gebundenen Bestandteile des Plasmas enthält. Die Poren, durch die das Plasmawasser durchtritt, haben einen mittleren Durchmesser von 3,0 nm (1,5 bis 4,5 nm). Das erlaubt allen Plasmabestandteilen bis zu einer molaren Masse von etwa 5 kDa ungehindert durchzutreten. Mit steigender Masse verringert sich die Wahrscheinlichkeit der Passage kontinuierlich, aber erst Partikel mit einer Masse > 68 kDa werden vollständig zurückgehalten. Die Plasmaproteine haben eine durchschnittliche Masse von 55 kDa, es finden sich daher nur geringe Proteinmengen im Primärharn. Ein erhöhter Durchtritt von Proteinen deutet meistens auf pathologische Veränderungen des Filtrationsapparates hin. Proteine, die den Filter nicht passiert haben, verlassen die Bowman-Kapsel durch die efferente Arteriole. Bei großmolekularen Ablagerungen ist es notwendig die Filter zu „reinigen“. Dies ist Aufgabe der Mesangium-Zellen (Abschnitt 12.1), die zur Phagocytose und zu anschließendem lysosmalen Abbau der Makromoleküle befähigt sind. Die Durchlässigkeit des glomerulären Filters für Moleküle mit einem Durchmesser < 4,5 nm ist auch ladungsabhängig. Bei gleichem Radius werden Moleküle mit einer negativen Ladung wesentlich schlechter durchgelassen als neutrale oder positiv geladene. Für dieses Phänomen sind die fixen negativen Ladungen der anionischen Glykosialoproteine verantwortlich, die an die glomerulären Filter gebunden sind.

12.2.2 Für die Resorption und Sekretion der Harnbestandteile haben die einzelnen Tubulusabschnitte vielfältige Transportmechanismen Wie erwähnt, ist der Primärharn ein Ultrafiltrat des Blutplasmas. Näherungsweise gilt deshalb, dass die Konzentration der kleinmolekularen Bestandteile im Plasma und im Glomerulusfiltrat übereinstimmt. Im riesigen Volumen des Primärharns befinden sich dementsprechend sehr große Mengen an anorganischen und organischen Plasmabestandteilen. Es ist evident, dass zur Aufrechterhaltung der Homöostase des extrazellulären Raumes nicht nur das Wasser, sondern auch ein großer Teil dieser Substanzen zurück gewonnen werden muss. Tabelle 12.1 zeigt einen Vergleich zwischen der täglich in den Primärharn filtrierten und der mit dem Endharn ausgeschiedenen Menge der wichtigsten Komponenten. Sowohl die glomerulär filtrierten als auch die zurück gewonnenen Substanzmengen unterliegen sehr starken physiologischen, nicht zuletzt ernährungsbedingten Schwankungen, weshalb die Daten in der Tabelle nur als Näherungswerte anzusehen sind. Dennoch ist aus ihnen zu entnehmen, dass die täglich im

12 Die Niere als Ausscheidungsorgan

549

Tabelle 12.1: Vergleich der täglich glomerulär filtrierten und im Endharn ausgeschiedenen Menge einiger Harnbestandteile Substanz Wasser Na+

Glomerulusfiltrat mol × Tag–1 9350 25

Endharn mol × Tag–1 83 0,1–0,3

K+

0,85

0,05–0,45

Ca2+

0,23

0,005–0,02

Cl–

20

0,1–0,5

HCO3–

4,25

0,001

Phosphat

0,34

0,005–0,03

Glucose

0,85

0,000–0,001

Aminosäuren

0,34

0,003–0,012

Harnstoff

0,85

0,42–0,60

Harnsäure

0,051

0,005

Kreatinin

0,017

0,017

Protonen

0

0,06

Endharn ausgeschiedene Menge an gelösten Substanzen nur etwa 10 % – oder weniger – der filtrierten Menge beträgt. Auf die Ausnahmen, beispielsweise im Falle der Glucose, des Harnstoffs, des Kreatinins und der Protonen, wird noch näher eingegangen. Die gewaltige Leistung der Rückgewinnung dieser Substanzen vollbringen die tubulären Abschnitte der Nephrone. Die Resorption (Rückresorption)* der gelösten Ionen und Moleküle geschieht in den einzelnen Abschnitten des tubulären Apparates selektiv durch unterschiedliche Mechanismen und mit unterschiedlicher Intensität. Das gleiche gilt für die Sekretion einiger Komponenten des Harns. Die Wiedergewinnung der im Primärharn gelösten Substanzen geschieht auf zwei prinzipiell unterschiedlichen Wegen: parazellulär durch Benutzung der Zellzwischenräume und transzellulär durch die Epithelzellen hindurch, wobei zwei Membranbarrieren, die lumenwärtige oder apikale Membran und die blutseitige baso-laterale Membran zu überwinden sind. Die quantitative Bedeutung der beiden Wege ist in den einzelnen Segmenten des Nephrons unterschiedlich. Der parazelluläre Weg wird in den proximalen Abschnitten, die mit einem relativ wenig dichten, „lecken“ Epithel ausgekleidet sind, besonders relevant, während in den distalen Segmenten der transzelluläre Transfer beherrschend ist. Treibende Kräfte der parazellulären Stoffbewegung sind osmotische und elektrochemische Gradienten. Für den transzellulären Substanzfluss sind im allgemeinen mehr oder minder spezifische Transportvermittler notwendig, die in den Membranen der Epithelzelle asymmetrisch angeordnet sind und damit einen vektoriellen (gerichteten) Transport bewirken. * Die Begriffe Resorption und Rückresorption werden in der Physiologie synonym gebraucht. Im weiteren soll der Ausdruck Resorption verwendet werden.

550

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Für die effektive Rückgewinnung der geladenen und ungeladenen Bestandteile des Glomerulusfiltrats werden im Nephron alle bekannten Systeme eingesetzt: primär aktive Pumpen, Carrier, die als Uniporter, Symporter und Antiporter fungieren (Abbildung 1.15), sowie Ionenkanäle. Wie auch bei sonstigen epithelialen Transportvorgängen spielt auch bei vielen nephronalen Resorptionsprozessen der Natriumgradient zwischen dem extra- und dem intrazellulären Raum der Epithelzelle eine Schlüsselrolle. Bekanntlich wird dieser Gradient durch die Na+/K+-ATPase, die in der baso-lateralen Membran der Epithelzelle integriert ist, aufrechterhalten (Abschnitt 1.1.2.6). Die Na+/K+-ATPase senkt mittels ATP-Spaltung die intrazelluläre Natriumkonzentration und generiert durch Akkumulierung von Kalium und nachfolgender K+-Auswärtsdiffusion durch K+-Kanäle ein Membranpotential. Der hierdurch aufgebaute elektrochemische Gradient bildet die Triebkraft für die Diffusion von Na+ durch Na+-Kanäle. Weiterhin kann er zur Energetisierung von sekundär aktiven Transportprozessen genutzt werden (Abschnitt 1.1.2.10). Der überwiegende Anteil des Energiebedarfs der renalen Resorption wird durch die Na+/K+-ATPase beansprucht.

12.2.2.1 Glucose und Aminosäuren werden im proximalen Tubulus physiologischerweise fast vollständig zurückgewonnen Wie aus den Daten der Tabelle 12.1 hervorgeht, bleiben die etwa 0,85 mol (153 g) Glucose, die täglich in den Primärharn gelangen, annähernd vollständig dem Organismus erhalten. Ort der Glucose-Resorption ist der proximale Abschnitt des Tubulus. Es handelt sich dabei um einen Na+-abhängigen Transportprozess, der als Triebkraft auf den von der Na+/K+-ATPase aufrechterhaltenen Na+-Gradienten angewiesen ist. An der transzellulären Glucose-Resorption durch das Nierenepithel sind zwei Glucose-Carrier beteiligt: das SGLT 2 und das GLUT 2. Wie Abibldung 12.4 zeigt, ist das SGLT 2 in der Bürstensaummembran der Epithelzellen lokalisiert und befördert als Na+-Glucose-Cotransporter ein Glucosemolekül mit 2 Na+-Ionen in den Zellinnenraum. Das GLUT 2 befindet sich an der baso-lateralen Membran und transportiert als Uniporter nach dem Prinzip einer erleichterten Diffusion die intrazellulär sich anhäufende Glucose Na+-unabhängig aus der Epithelzelle in das Blut. Das System funktioniert analog dem in der Bürstensaummembran der Dünndarmepithelzellen operierenden Transporter, der in Abschnitt 1.1.2.10 detailliert beschrieben wurde. Der Hauptanteil der Glucose wird bereits am Anfang des proximalen Tubulus resorbiert, wo die Epithelzellen eine besonders hohe Dichte an Transportproteinen aufweisen. Wenn bei hoher Glucose-Konzentration im Primärharn die Transportkapazität in diesem Bereich nicht ausreicht, übernehmen die hochaffinen Carrier der mehr distal gelegenen Bereiche des proximalen Tubulus die Aufgabe. Die maximale resorptive Kapazität der Niere liegt beim etwa Zwei- bis Dreifachen der normalerweise filtrierten Glucosemenge. Ab einer Plasmakonzentration von 10 mmol × L–1 (1,8 g × L–1) – und entsprechend hoher Konzentration der frei filtrierbaren Glucose im Primärfiltrat – wird das sogenannte Transportmaximum der Niere für Glucose überschritten; es kommt zu Glucosurie. Die Glucosurie kann prärenal, das heißt durch eine pathologisch erhöhte Blutglucose-Konzentration im Plasma bedingt sein, wie sie beim Diabetes vorkommt. Eine renale Glucosurie tritt dann auf, wenn die Glucosecarrier im proximalen Tubulus entweder eine zu geringe Transportkapazität oder eine verminderte Affinität zum Substrat

12 Die Niere als Ausscheidungsorgan

12.4

551

Transzelluläre Na+-abhängige Resorption von Glucose und von Aminosäuren durch die Epithelzelle des proximalen Tubulus

aufweisen. Eine herabgesetzte Aktivität der Na+/K+-ATPase, die eine Schwächung des Na+-Gradienten nach sich zieht, kann ebenfalls zu einer Störung der renalen GlucoseResorption führen. Die glomerulär filtrierten Aminosäuren werden durchschnittlich zu mehr als 98 % ebenfalls im proximalen Tubulus zurückgewonnen. Die Resorptionsrate ist je nach Aminosäure unterschiedlich: Für einige essentielle Aminosäuren beträgt sie beinahe 100 %, für das Histidin dagegen nur circa 94 %. Auch bei der Resorption der Aminosäuren handelt es sich meistens um einen Cotransport mit Na+-Ionen; sie ist also ebenfalls auf die Aufrechterhaltung eines Na+-Gradienten durch die Na+/K+-ATPase angewiesen. Ähnlich wie im Dünndarm (Abschnitt 7.6.4) gibt es an der lumenwärtigen Seite der tubulären Epithelzellen verschiedene L-Aminosäure-Transporter, die für bestimmte Gruppen strukturell verwandter Aminosäuren zuständig sind. Einer der Carrier transportiert anionische Aminosäuren (L-Glu–, L-Asp–), ein anderer kationische (LArg+, L-Lys+, L-Orn+), einige weitere verschiedene Gruppen neutraler Aminosäuren. Die Gruppenspezifität hat zur Folge, dass es je nach Konzentration der einzelnen Vertreter zu kompetitiver Hemmung des Transportes kommen kann. Die Aminosäuren verlassen die Epithelzelle durch erleichterte Diffusion mittels Carrier, die am baso-lateralen Pol der Zelle kokalisiert sind und Na+-unabhängig arbeiten. Je nach Konzentration der betreffenden Aminosäure in der Epithelzelle beziehungsweise im Blut kann sich die Transportrichtung umkehren und die Aminosäure zelleinwärts befördert werden (Abbildung 12.4). Außer freien Aminosäuren resorbiert das Epithel des proximalen Tubulus auch Diund Tripeptide, die entweder als solche glomerulär filtriert wurden oder durch die hydrolytische Spaltung größerer Peptide nach der Filtration entstanden sind. Die Resorption der Di- und Tripeptide vermittelt ein Transporter, der als PepT 2 bezeichnet wird. Dieses in der Bürstensaummembran lokalisierte Transportsystem ist ebenfalls ein Co-

552

12.5

Teil II: Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus

Resorption von Di- und Tripeptiden durch die Epithelzelle des proximalen Tubulus

transporter, der allerdings statt Na+-Ionen Protonen mit den Di- und Tripeptiden cotransportiert. Entsprechend ist er auf einen Protonengradienten angewiesen, der hauptsächlich durch einen luminalen Na+/H+-Antiporter generiert wird. Dieser fördert H+ aus der Zelle und Na+ in die Zelle. Ob die Di- und Tripeptide als solche aus der Epithelzelle in das Blut übertreten oder durch intrazelluläre Peptidasen in Aminosäuren gespalten werden, bevor sie die Epithelzelle verlassen, bedarf der Klärung (Abbildung 12.5).

12.6

Na+-abhängiger Transport von Mono- und Dicarboxylaten durch die Epithelzelle des Tubulus

12 Die Niere als Ausscheidungsorgan

553

Vollständigkeitshalber sei erwähnt, dass der Na+-Gradient der tubulären Epithelzelle auch für den Na+/Monocarboxylat-Cotransport genutzt wird (Abbildung 12.6). Dieser Cotransporter ist ebenfalls in die Bürstensaummembran integriert. Ein baso-lateral lokalisierter Na+/Dicarboxylat-Cotransporter nutzt den Na+-Gradienten für den Transport von Dicarboxylaten aus dem Blut in die Epithelzelle des Tubulus. Auch für die Rückgewinnung anorganischer Anionen aus dem Primärharn – wie HPO42– und SO42– – existieren Carrier, die diese mit Na+ cotransportieren und damit von einem Na+-Gradienten abhängig sind. Auf den Phosphat-Transporter wird bei der Resorption der Elektrolyte näher eingegangen.

12.2.2.2 Die Rückgewinnung von Natriumchlorid und von Wasser aus dem Primärharn hat den Charakter eines „Massentransportes“ Wie Tabelle 12.1 zeigt, werden 25 mol Na+ und 20 mol Cl– pro Tag glomerulär filtriert. Das Volumen des Primärfiltrates beträgt, wie bereits erwähnt, 180 L × d–1. Im tubulären Apparat der Nephrone werden täglich mehr als 90 % des glomerulär filtrierten Na+ und Cl– sowie ein etwa gleich großer Anteil des Lösungswassers zurückgewonnen. Daraus ergeben sich die ebenfalls in der Tabelle angegebene Menge und Zusammensetzung des Endharns. Die Daten der Tabelle 12.2 machen deutlich, dass die resorptive Leistung der einzelnen Nephronabschnitte recht unterschiedlich ist. Für beinahe alle in der Tabelle aufgelisteten Elektrolyte ist die Resorption im proximalen Tubulus die quantitativ überTabelle 12.2: Noch vorhandener prozentualer Anteil der glomerulär filtrierten Menge einiger Elektrolyte und deren Konzentration in verschiedenen Abschnitten des Nephrons und im Endharn

Glomerulus Na+

%

proximal*

frühdistal*

spätdistal*

100

30

10

Konzentration mmol × L–1

145

145

30

Cl–

100

30

10

3

Konzentration mmol × L–1

115

140

30

50

HCO3–

100

30

5

3

0

25

5

4

4