VL Regulation des Stoffwechsels Michael Altmann

VL Regulation des Stoffwechsels
Michael Altmann
FS 2012
Institut für Biochemie und Molekularbiologie
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Vorlesung: Regulation des Stoffwechsels
Ebenen und Zeitskalen der Regulation des
Stoffwechsels
-Als Anpassung auf Veränderungen des intra-
und extrazellulären Milieus werden in der
Zelle Veränderungen der Menge und der
Aktivität von Enzymen vorgenommen. Die
Zeitskalen für derartige Umstellungen sind je
nach Mechanismus sehr unterschiedlich. Wir
unterscheiden:
• Allosterische Effekte (finden innerhalb von
Millisekunden statt);
• Enzymatische Interkonversionen (finden
innerhalb von Sekunden statt);
• Veränderungen der Genexpression (finden
innerhalb von Stunden statt).
-Oft finden Kombinationen der verschiedenen
Umstellungsebenen statt, dadurch wird die
Homöostase (Selbstregulation) der Zelle als
Anpassung an veränderte äussere und innere
Bedingungen ermöglicht.
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Vorlesung: Regulation des Stoffwechsels
Metabolische Knotenpunkte
Als metabolische Knotenpunkte gelten Metabolite, die als Ausgangspunkt
für verschiedene Synthesewege dienen. Sie sind von besonderem Interesse,
denn an diesen Schnittstellen werden Entscheidungen über die weitere
Verwendung von Stoffwechselprodukten zur Aufrechterhaltung des
Homöostase der Zelle getroffen.
Besondere Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang den 3
Verbindungen Glucose-6-Phosphat, Pyruvat und Acetyl-CoA zu.
Glucose-6-Phosphat
Dient je nach Energie- und Stoffwechselstatus als Ausgangspunkt für
Glykolyse, Glykogen-Synthese, Glucose-Abgabe ins Blut (vor allem durch
Leber und Niere) und Pentose-phosphatweg. Die drei ersten Reaktionen sind
reversibel (nicht im thermodynamischen Sinne, sondern dank gegenläufig
arbeitender Enzyme; siehe Abb.).
Pyruvat
Diese alpha-Ketosäure entsteht aus Alanin, Lactat und Glucose. Je nach
Bedarf wird Pyruvat zu Acetyl-CoA decarboxyliert, zu Oxalacetat
carboxyliert (für Gluconeogenese oder zum Auffüllen des Citratzyklus), zu
Lactat reduziert (vor allem im Muskel als Teil des Cori-Zyklus) oder in
Alanin umgewandelt (Transaminierung).
Acetyl-CoA
Entsteht durch verschiedene Abbaureaktionen (oxydative Decarboxylierung,
beta-Oxydation und Abbau ketogener Aminosäuren). Bei Bedarf wird es
vollständig im Citratzyklus zu CO2 verbrannt.
Acetyl-CoA dient als Ausgangsbaustein für Fettsäuren, Cholesterin und
Ketonkörper. Allerdings können damit keine Kohlenhydrate synthetisiert
werden.
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Regulation des Stoffwechsels
Regulation des Citratzyklus
-Entscheidend für die Aktivität des Citratzyklus ist der
Nachschub an Acetyl-CoA durch die Pyruvatdehydrogenase
(PDH).
-PDH ist ein klassisches Beispiel für ein Enzym, das sowohl
allosterisch wie auch durch Interkonvertierung reguliert
wird. PDH ist im phosphorylierten Zustand inaktiv, im
dephosphorylierten Zustand aktiv.
-Eine spezifische PDH-Kinase wird durch ATP, NADH und
Acetyl-CoA aktiviert und durch Pyruvat gehemmt.
-Eine spezifische PDH-Phosphatase wird durch Ca- und
Mg-Ionen aktiviert, so zB. bei der Muskelkontraktion wenn
Energie gebraucht wird.
-Drei Enzyme des Citratzyklus, die besonders exergone
Reaktionen katalysieren, werden allosterisch reguliert
(Effektoren: siehe Tab. 16.3 L&P):
•Citrat-Synthase;
•Isocitrat-Dehydrogenase;
•Succinat-Dehydrogenase.
-Eine hormonelle Regulation des Citrat-Zyklus ist nicht
bekannt.
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Regulation des Stoffwechsels
Regulation des Glykogenstoffwechsels
-Bei Säugetieren ist Glycogen die einzige Speicherform
von Glucose. Insgesamt kann ein menschlicher Körper
ca. 400g Glucose in Form von Glycogen speichern.
-Bei Bedarf werden die obligaten Glucose-Verwerter
(vor allem Erythrozyten und Hirn) von der Leber mit
Glucose versorgt. Ca. 10% der Leber (ca. 1.5 kg)
besteht aus Glycogen.
-Der Muskel hat den grössten Glycogen-Speicher im
Körper, benutzt aber Glycogen nur für den
Eigenbedarf. Es fehlt ihm die Glucose-6-Phosphatase,
die erforderlich ist, um Glucose zu exportieren.
-Glucose-6-Phosphat wird je nach Bedarf in der
Glycolyse oder im Pentose-Phosphatweg verarbeitet.
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Regulation des Stoffwechsels
Hormonelle Regulation des Glykogenstoffwechsels
-Wie bereits besprochen, wird der Glykogenhaushalt durch Insulin
und seine Gegenspieler (Glucagon, Adrenalin) reguliert. Ein einziges
Hormonmolekül kann die Freisetzung/Speicherung Tausender
Glucosemoleküle veranlassen.
-Entscheidend ist dabei die Konzentration in der Zelle an cAMP.
Insulin senkt den cAMP-Spiegel (Aktivierung der cAMP-
Phosphodiesterase), Glucagon und Adrenalin erhöhen den cAMP-
Spiegel (Aktivierung der Adenylatcyclase über
Signaltransduktionskette).
-Glykogen-Abbau und -Aufbau werden gemeinsam über cAMP/
Proteinkinase A reguliert:
•bei tiefem cAMP (Insulin) werden sowohl Glykogen-Phosphorylase
(inaktiv) wie auch Glycogen-Synthase (aktiv) dephosphoryliert;
•bei hohem cAMP (Adrenalin/Glucagon) werden beide Enzyme mit
gegenteiliger Wirkung phosphoryliert (-> siehe auch VL Hormone I
zum Mech. der Phosphorylierung von Glycogen-Phosphorylase).
-Glycogen-Phosphorylase und -Synthase werden auch allosterisch
reguliert (siehe L&P Abb. 11.22-11.24).
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3. Adrenalin
Molekularer Mechanismus am Bsp. der Glycogen-Phosphorylase
-Der aktivierte Adrenalin-Rezeptor (beta-Typus) aktiviert ein heterotrimäres G-Protein,
cAMP steigt.
-Proteinkinase A aktiviert indirekt (über eine Phosphorylase-Kinase) die Glycogen-
Phosphorylase durch Phosphorylierung.
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Regulation des Stoffwechsels
Regulation von Glycolyse und Gluconeogenese
-Es sind vor allem die Schlüsselenzyme, die hormonell
reguliert werden:
•Glycolyse: Glucokinase, Phosphofructokinase, Fructose-6phosphat-2-Kinase
(siehe unten) und Pyruvatkinase;
• Gluconeogenese: Pyruvat-carboxylase, PEP-Carboxykinase,
Fructose-1,6-Bisphosphatase und Glucose-6-Phosphatase.
-Insulin und cAMP (bzw. die Hormone, die dessen Spiegel
steigern) treten wie beim Glycogen-Stoffwechsel auch hier
als Gegenspieler auf.
-Insulin aktiviert transkriptionell die Genexpression der
Enzyme der Glycolyse (Mechanismus noch ungeklärt).
-Die Schlüsselenzyme der Gluconeogenese werden
transkriptionell durch cAMP induziert: Proteinkinase A
phosphoryliert und aktiviert somit CREB, einen spezifischen
Transkriptionsfaktor, der an den Promotor der jeweiligen
Gene bindet. -Wie bereits besprochen, ist auch Cortisol ein
wichtiger Induktor dieser Gene.
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Regulation des Stoffwechsels
Allosterische Regulation von Glycolyse und Gluconeogenese
-Die hormonell regulierten Schlüsselenzyme werden auch
allosterisch reguliert (siehe L&P Abb. 13.28).
-Besonders gut untersucht ist die allost. Regulation von PFK, das
geschwindigkeitsbestimmende Enzym der Glycolyse. Hohe
Konzentrationen an Zwischen- oder Endprodukt der Folgereaktionen
(Citrat, ATP) inhibieren, hohe Konzentrationen an Substrat (Fruct-6-
P) aktivieren PFK.
.Eine zusätzliche Form der allosterischen Regulation wird in der
Leber durch das Signalmetabolit Fructose-2,6-bisphosphat (Fru-2,6-
P 2 ) ermöglicht, das die Glycolyse beschleunigt (pos. Aktivator).
-Die Bildung von Fru-2,6-P 2 (erhöhte Glycolyse) wird durch eine
spezifische Kinase ermöglicht, die bei tiefem cAMP (Insulin) aktiv
ist. Umgekehrt wird der Abbau von Fru-2,6-P 2 durch eine
Phosphatase katalysiert, die bei hohem cAMP (Adrenalin, Glucagon)
aktiv ist.
-Im Muskel führt allerdings ein hoher cAMP-Spiegel zur Produktion
von Fru-2,6-P 2 und somit zur erhöhten Glycolyse.
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Regulation des Stoffwechsels
Regulation des Fett-Stoffwechsels
-Lipide machen je nach Fall 40% (oder mehr) unserer
Nahrung aus. Aufgrund der reichlichen Lipid-Speicher sind
wir nicht auf eine permanente Synthese angewiesen.
Trotzdem synthetisieren wir -auch bei hoher Kohlenhydrat-
Zufuhr- eine beträchtliche Menge an Fettsäuren.
-Synthese von Fettsäuren und Cholesterin sind allosterisch
und hormonell reguliert. Eine katabole Stoffwechsellage
(Fasten, Stress) hemmt, eine anabole Stoffwechsellage
(nach Nahrungsaufnahme) steigert die Lipidsynthese.
-Das erste Enzym der Fettsäure-Synthese, die Acetyl-CoA-
Carboxylase, ist das Schrittmacherenzym der ganzen
Reaktionskette.
Allosterische Aktivatoren: Acetyl-CoA (Substrat) und
Citrat (Acetyl-CoA-Lieferant über Citrat-Lyase);
Allosterische Inhibitoren: Acyl-CoA (Produkthemmung)
und AMP (mangelnde Energie).
-Wie bereits erwähnt, regulieren Insulin und Gegenspieler
die Lipogenese in der Fettzelle (hormonsensitive Lipase;
siehe VL Hormone I).
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Insulin versus Adrenalin
Metabolische Aktivitäten der Fettzelle
-Insulin induziert die Biosynthese der Lipoproteinlipase und
stimuliert die Glucoseaufnahme, was zur vermehrten
Triacylglycerin-Biosynthese führt.
-Katecholamine (beim Menschen vor allem Adrenalin)
steigern die cAMP-Konzentration und aktivieren die
Proteinkinase A, die durch Phosphorylierung die
Triacylglycerin-Lipase aktiviert (deshalb auch der Name
hormonsensitive Lipase).
-Dadurch wird der Triacylglycerin-Abbau in Fettsäuren und
Glycerin eingeleitet.
-Insulin wirkt dem TG-Abbau entgegen, indem es die
cAMP-Phosphodiesterase aktiviert und somit (indirekt) die
TG-Lipase inaktiviert.
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Regulation des Stoffwechsels
Regulation des Cholesterin-Stoffwechsels
-Cholesterin ist ein für viele Lebensvorgänge essentielles
Molekül: Aufbau der Zellmembranen, Baustein von
Gallensäuren und Steroidhormonen.
-Die Geschwindigkeit der Cholesterinbiosynthese hängt
von der Menge des mit der Nahrung aufgenommenen
Cholesterins ab.
-Das reaktionsgeschwindigkeitsbestimmende Enzym für
die Cholesterin-Synthese ist die HMG-CoA-Reduktase.
Das Enzym wird allosterisch negativ reguliert durch
Mevalonat und Cholesterin.
-Zusätzlich hemmt Cholesterin die Transkription der
Gene, die für die Enzyme der Cholesterin-Synthese
codieren (siehe Abb).
-Wenn der Cholesterin-Spiegel tief ist, werden spezifische
Transkriptionsfaktoren (sog. SREBPs) durch
proteolytische Spaltung aktiviert, die die Expression der
Enzyme der Cholesterin- und Fettsäuresynthese
aktivieren (siehe L&P Tab. 20.1).
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Regulation des Stoffwechsels
Regulation des Eisenstoffwechsels
-Aufnahme, Speicherung und intrazelluläre Verwertung
von Eisen werden durch einen gemeinsamen
Mechanismus reguliert.
- Fe 3+ -Ionen werden im Blut gebunden an Transferrin
transportiert, die Aufnahme in den Zielzellen erfolgt mit
Hilfe des Transferrin-Rezeptors, der den Transferrin-
Eisen-Komplex aufnimmt (Endocytose).
-Die freigesetzten Eisen-Ionen werden mit Hilfe des
Proteins Ferritin zusammen mit Phosphat-Ionen
gespeichert.
- Der erste Schritt in der Häm-Synthese ist die
Umwandlung von Succinyl-CoA und Glycin zu delta-
Aminolevulinsäure (dALA) und wird von der dALA-
Synthase (dALAS) katalysiert. Das Enzym wird durch
negative Rückkopplung durch das Endprodukt Häm
reguliert.
- Zusätzlich wird die Expression von dALAS zusammern
mit der von Ferritin und Transferrin-Rezeptor durch ein
einziges Protein reguliert.
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Regulation des Stoffwechsels
Das eisensensorische Protein (auch als IRE-BP
bekannt)
-Es handelt sich hierbei um eine cytoplasmatische
Aconitase (zusätzlich zur mitochondriellen Aconitase
des Citratzyklus), die Citrat in Isocitrat umwandeln
kann.
-Wenn der Eisenspiegel in der Zelle hoch ist, bildet
sich ein Fe-S-Kubus, der an die Aconitase gebunden
deren Konformation beeinflusst. Wenn der Eisenspiegel
sinkt, zerfällt der Fe-S-Kubus, die Konformation der
Aconitase verändert sich so, dass das Protein an ein
bestimmtes RNA-Motiv (IRE genannt) binden kann,
das in der mRNA von den drei obenerwähnten
Enzymen vorkommt.
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Regulation des Stoffwechsels
Regulation des Eisenstoffwechsels als Beispiel für die Homöostase (Selbstregulation) der Zelle
Die Regulation von Aufnahme, Speicherung und Verwertung von Fe-Ionen sind in der Abb.
zusammenfassend dargestellt.
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