8.5 Lipoproteine. Apolipoproteine. 8.5 Lipoproteine

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1 .5 Lipoproteine Lipoproteine Lipide sind schlecht in Wasser löslich, sie werden deshalb im Blut überwiegend in Form von Lipoproteinen transportiert. Eine Ausnahme bilden dabei die freien Fettsäuren. Sie werden im Blut vor allem an Albumin gebunden transportiert. Mengenmäßig trägt der Transport von albumingebundenen freien Fettsäuren aber nur zu weniger als 5% zum Gesamtlipid-Transport im Blut bei. Alle Lipoproteine bestehen aus: Apolipoproteinen, die als Transportvehikel fungieren und aus den zu transportierenden Lipiden. Als dominierende Lipide kommen Triacylglycerole, Phospholipide, freies Cholesterol und Cholesterolester in Lipoproteinen vor. Apolipoproteine Die Apolipoproteine werden in 5 Hauptklassen eingeteilt (A, B, C, D, E), wobei einige Klassen noch weiter untergliedert werden (z. B. C-I, C-II, C-III). Sie erfüllen mehrere Funktionen: Strukturbaustein der Lipoproteine (Lipidtransport) Liganden für Zelloberflächenrezeptoren (Lipoprotein-Internalisierung) Regulation Lipoprotein-assoziierter Enzyme (Lipoprotein-Umbau) vermittelt die Bindung von LDL an den LDL-Rezeptor peripherer Zellen. Veränderungen (Mutationen) in der Struktur des oder des LDL-Rezeptors führen demnach zu einer verringerten peripheren Aufnahme von LDL und damit zur Erhöhung des LDL-Cholesterols im Blut. Die Apolipoproteine A-I, C-I und D aktivieren die Lecithin-Cholesterol-Acyltransferase (LCAT). Lecithin-Cholesterol-Acyltransferase (LCAT). Sie trägt zum Umbau der HDL im Blut bei. Das Enzym wird in der Leber synthetisiert, ans Blut abgegeben und bindet vor allem auf der Oberfläche des HDL. Dort spaltet es einen Acylrest vom Phosphatidylcholin (Lecithin) ab und überträgt diesen auf HDL-gebundenes Cholesterol. Dabei entstehen Cholesterolester und Lysolecithine. Die Cholesterolester wandern aufgrund ihres hydrophoben Charakters in den Kern des HDL-Partikels, während die Lysolecithine wegen ihrer guten Wasserlöslichkeit vom HDL abdissoziieren. Dadurch verringert sich der Gehalt des HDL an freiem Cholesterol, sodass das umgebaute HDL als peripherer Cholesterol-Akzeptor fungieren kann (s. Kap..5, S. 262).

2 25 Lipide Lipoproteinlipase (LPL). In ähnlicher Weise katalysiert die LPL den Umbau der Triacylglycerol-reichen Lipoproteine (Chylomikronen, ) im Blut. Die LPL ist eine Triacylglycerol-Lipase, die in der Leber synthetisiert und durch Insulin induziert wird. Mit dem Blut gelangt sie zu den Endothelzellen der Kapillaren, wo sie auf der Zelloberfläche gebunden wird. Aus zirkulierenden Chylomikronen bzw. s werden Fettsäuren von Triacylglycerolen (TAG) abgespalten, sodass sich deren Gehalt an Triacylglycerolen reduziert. Einteilung der Lipoproteine des Blutes Die Zusammensetzung der Lipoproteine bestimmt deren Dichte. Lipidreiche Lipoproteine haben eine geringe Dichte. Durch Zentrifugation menschlichen Blutplasmas in einem Dichtegradienten lassen sich 4 dominierende Lipoprotein-Klassen voneinander abgrenzen: Chylomikronen (CM) Very low Density Lipoprotein () Low Density Lipoprotein (LDL) High Density Lipoprotein (HDL) Neben diesen Hauptklassen gibt es noch weitere Klassen: Intermediate Density Lipoproteins (IDL), die sich entsprechend ihrer Dichte zwischen und LDL einordnen und Very high Density Lipoproteins (VHDL), die eine noch höhere Dichte als HDL aufweisen. Lipoprotein (a) ist ein separates Lipoprotein, das hinsichtlich seiner Dichte zu den LDL gehört. Es stellt einen unabhängigen Risikofaktor für Herz-Kreislauf-Erkrankungen dar und enthält neben dem noch das Apo(a). Über dieses Apolipoprotein ist bisher wenig bekannt, es zeigt aber strukturelle Ähnlichkeit zum Plasminogen. Es kann die Aktivierung von Plasminogen zum Plasmin hemmen und stellt damit ein Bindeglied zwischen Lipoproteinen und Gerinnungssystem dar. Tab..4 Strukturparameter verschiedener Lipoproteine Parameter Chylomikronen LDL HDL Dichte (g/ml) 0,93 0,93 1,01 1,02 1,06 1,07 1,20 Größe (nm) 1000 nm nm nm 5 12 nm Lipid/Protein 9:2 90:10 0:20 60:40 Apoproteine B 4, A, C C, B 100,E B 100 (E) A, C, E Triglycerole (%) Cholesterol (%)

3 .5 Lipoproteine 259 Chylomikronen (CM). Nach einer fettreichen Mahlzeit werden die Nahrungslipide im Darmlumen gespalten und die Spaltprodukte ins Darmepithel resorbiert. Dort werden die freien Fettsäuren in Triacylglycerole umgewandelt, die dann zu CM zusammengelagert werden. Dazu wird das CM-spezifische Apolipoprotein B 4 benötigt, das nur im Darmepithel gebildet wird. Apolipoprotein B 4 wird aus der modifizierten mrna des Apolipoprotein B 100 synthetisiert, in der durch RNA-Editing ein zusätzliches Stopcodon eingeführt wurde (s. Kap , S. 414). Nach der Assemblierung der CM gelangen diese nicht direkt ins Blut, sondern in die Lymphkapillaren. Über den Ductus thoracicus werden sie dann langsam ans Blut abgegeben. Durch diesen Mechanismus wird verhindert, dass nach einer lipidreichen Mahlzeit große Mengen an CM gleichzeitig ins Blut gelangen, wodurch eine Fettembolie verursacht werden könnte. Sobald Chylomikronen im Blut in Kontakt mit anderen Lipoproteinen kommen, tauschen sie mit diesen Lipide und Apolipoproteine aus (Abb..19a). Dadurch kommt es zu einer Umstrukturierung der CM. Die im Darm synthetisierten Chylomikronen besitzen selbst kaum -II, das als Aktivator der LPL wirkt. Durch den Transfer von -II vom HDL auf die CM steigt der -II-Gehalt der CM im Blut jedoch an, sodass sie vermehrt durch die Lipoprotein-Lipase (LPL, s. S. 14) angegriffen werden. Dadurch sinkt ihr Gehalt an Triacylglycerolen bis auf 10 % des ursprünglichen Wertes und die Chylomikronen werden zu Remnants (Überbleibsel). Diese werden in der Leber umgebaut. CM dienen auf diese Art der Versorgung peripherer Zellen mit Triacylglycerolen, die im Darm resorbiert werden. Very low Density Lipoproteins (). Wie die CMs gehören s zu den Triacylglycerol-reichen Lipoproteinen. Im Gegensatz zu diesen entstehen sie aber nicht im Darm, sondern in der Leber (Abb..19b). Sie versorgen die peripheren Gewebe mit Triacylglycerolen, die in der Leber synthetisiert wurden. Auch s tauschen im Blut Lipide und Apoliporoteine mit anderen Lipoproteinen (vor allem mit HDL) aus. Dadurch steigt ebenfalls ihr Gehalt an -II, sodass auch s gute Substrate für die Lipoprotein-Lipase sind. Wirkt dieses Enzym auf die Triacylglycerole der s, sinkt ihr Triacylglycerolgehalt. Dadurch entstehen IDLs, die entweder mit dem Blut wieder zur Leber gelangen oder zu LDL umgebaut werden. Low Density Lipoproteins (LDL). LDLs werden aus IDLs synthetisiert und dienen der Cholesterolversorgung peripherer Zellen. Dort binden sie an den LDL-Rezeptor, werden über Rezeptor-vermittelte Endozytose internalisiert (Abb..19c) und so aus dem Blutkreislauf entfernt. Die entstehenden Endosomen verschmelzen mit Lysosomen. Da in Lysosomen ein saures Milieu vorherrscht und der ph-wert im Endolysosom durch aktiven Import von Protonen niedrig gehalten wird, dissoziiert LDL vom Rezeptor ab und wird durch lysosomale Enzyme (Proteasen, Lipasen, Cholesterolester-Hydrolasen mit saurem ph-optimum) abgebaut. Außerdem wird eine Umstrukturierung der Endosomenmembran eingeleitet, die

4 260 Lipide Chylomikronen Chylomikronen Darm ApoB 4 ApoB 4 Lipoprotein-Lipase periphere Gewebe a b c Leber LDL Endosom freies Cholesterol Sterolsensorproteine LDL- Rezeptor LDL H + Lipide Apo 100 HDL HDL Phospholipide LDL-Rezeptor- Recycling ACAT Endoplasmatisches Retikulum,C,E,C,E Vesikel Phospholipide verestertes Cholesterol Endolysosom ApoB 4 Chylomikronen ApoB 4 Remnants Lipoprotein-Lipase IDL Membrancholesterol peripherer Zellen,C,E LCAT LCAT discoidales HDL 3 HDL 1, HDL HDL 2 d Leber Leber Gallensäure periphere Gewebe

5 .5 Lipoproteine 261 eine Clusterung der ligandenfreien LDL-Rezeptoren induziert. LDL-Rezeptor-tragende Membranbereiche schnüren sich vom Endolysosom ab und werden zur Zellmembran zurücktransportiert (LDL-Rezeptor-Recycling). Hepatozyten spielen eine wichtige Rolle bei der Entfernung (Clearing) der LDLs aus dem Blut. Die beim endolysosomalen Abbau des entstehenden Aminosäuren gehen in den zellulären Aminosäurepool ein und werden für die zelluläre Proteinbiosynthese verwendet. Aus den LDL-Esterlipiden (Phospholipide, Triacylglycerole, Cholesterolester) werden Fettsäuren abgespalten, die der Energieversorgung der Zelle (Abbau über β-oxidation) dienen. Das bei der Hydrolyse der LDL-Cholesterolester entstehende Cholesterol unterliegt gemeinsam mit dem freien Cholesterol des LDL einem mehrfachen Schicksal: Es wird in die Membran des ER integriert und erhöht deren Cholesterolgehalt, der zu Konformationsänderungen der Cholesterolsensorproteine SCAP und SREBP führt (s. S. 241). Dadurch wird die Expression wichtiger Enzyme der Cholesterolbiosynthese reprimiert. Gleichzeitig wird die Expression des LDL- Rezeptors gehemmt, wodurch kein weiteres LDL internalisiert werden kann. Es wird durch die katalytische Aktivität der ACAT mit Oleyl-CoA reacyliert und als Cholesterolester im Zytosol abgelagert. Diese Cholesterolester sind bei Energiemangel mobilisierbar, indem sie durch zytosolische (neutrale) Cholesterolester-Hydrolasen gespalten werden. Cholesterol wird in die Plasmamembran eingebaut, auf extrazelluläres HDL übertragen und durch reversen Cholesteroltransport zur Leber transportiert, um in Form von Gallensäuren ausgeschieden zu werden. Im Blut kann verestertes Cholesterol mittels Cholesterol-Transferproteinen zwischen verschiedenen Lipoproteinen ausgetauscht werden. Die zelluläre Cholesterolhomöostase ist hochgradig reguliert. Die Regulation ist im Wesentlichen auf 3 Rückkopplungsmechanismen in peripheren Zellen zurückzuführen, deren Stellgröße die zelluläre Cholesterolkonzentration ist: Regulation der endogenen Cholesterolsynthese, Regulation der LDL-Rezeptor-Expression, Regulation des LDL-Rezeptor-Recyclings. High Density Lipoproteins (HDLs). HDL ist eine heterogene Fraktion von Lipoproteinen und kann in 3 Subklassen (HDL 1, HDL 2, HDL 3 ) unterteilt werden. Vorstufen des HDL (discoidale HDL) werden überwiegend in der Leber und im Darm gebil- Abb..19 Stoffwechsel von Lipoproteinen. a Umbau von Chylomikronen im Blut bei Kontakt mit HDL. b Umbau des im Blut bei Kontakt mit HDL. c Stoffwechsel des LDL in peripheren Zellen. d Umbau von HDL im Blut und dessen Funktion beim reversen Cholesterol-Transport. Einzelheiten s. Text.

6 262 Lipide det (Abb..19d). Im Blut können Chylomikronen ebenfalls zu discoidalen HDL- Partikeln umgewandelt werden, indem sie die Lecithin-Cholesterol-Acyltransferase (LCAT) binden, die von der Leber sezerniert wird. Durch die katalytische Wirkung dieses Enzyms kommt es zu einer Umordnung der Lipoproteinstruktur, sodass aus dem discoidalen HDL das HDL 3 entsteht. Diese HDL-Subspezies, die einen relativ geringen Gehalt an freiem Cholesterol aufweist, kann überschüssiges Cholesterol aus Biomembranen aufnehmen (= reverser Cholesteroltransport). Im Blut tauscht HDL 3 Lipide (Phopsholipide, Cholesterolester) und Apolipoproteine (, ) mit anderen Lipoproteinen (vor allem ) aus, wodurch HDL 1 und HDL 2 entstehen. In der Leber wird HDL u. a. über Scavenger-Rezeptoren aus dem Blut aufgenommen, das Cholesterol zu Gallensäuren umgewandelt und biliär ausgeschieden. Obwohl der Anstieg des LDL-Cholesterols im Blut als stärkster Risikofaktor für Herz- Kreislauf-Erkrankungen angesehen wird, ist natives LDL nur begrenzt atherogen. Durch oxidative Modifizierung kann LDL jedoch in ein atherogenes Lipoprotein (oxldl) umgewandelt werden, das ohne Rückkoppelungshemmung von Monozyten, Makrophagen und speziellen Glattmuskelzellen internalisiert wird. Der zelluläre Import von oxldl verläuft nicht über den rückkoppelungsgehemmten LDL-Rezeptor, sondern über verschiedene Scavenger-Rezeptoren, die keiner Rückkopplungskontrolle unterliegen. Damit ist der Lipidimport nicht mehr von der intrazellulären Cholesterolkonzentration abhängig, wodurch es zu exzessiven intrazellulären Lipidablagerungen kommen kann. Solche lipidbeladenen Zellen werden als Schaumzellen bezeichnet. Lagern sich viele Schaumzellen im Subendothelialraum von Arterien ab, kommt es zur Bildung von Fettstreifen, die als frühe atherosklerotische Läsionen angesehen werden. Entsprechend der Oxidationshypothese ist die oxidative Modifizierung von LDL ein zentraler Vorgang bei der Entstehung der Atherosklerose (Atherogenese). Dabei ist nicht in erster Linie der oxldl-spiegel im Blut bedeutsam. Vielmehr scheinen lokale Oxidationsprozesse, die im Subendothelialraum der Arterien ablaufen, zu einer räumlich begrenzten Erhöhung des oxldl-spiegels zu führen. Auf der Basis der Oxidationshypothese hat man gefolgert, dass eine Reduzierung der LDL-Oxidation durch Gabe von Antioxidanzien (Vitamin C, Vitamin E) zu einem verringerten Atherosklerose- Risiko führt. Obwohl mehrere Untersuchungen in tierischen Atherosklerose-Modellen diese Hypothese bestätigen, konnten das klinische Studien bislang nicht zweifelsfrei beweisen. Die Studienergebnisse sind jedoch schwer interpretierbar, da aufgrund des langen und komplizierten zeitlichen Verlaufs der Atherogenese die Ausarbeitung eines optimalen Studiendesigns problematisch ist.