LPL. (Muskel, Fettgewebe)

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1 Lipidmetabolismus: Aufnahme, Transport, Umbau und Ausscheidung von Lipiden In der begleitenden Powerpoint-Präsemtation sind die prüfunsrelevantesten Bilder mit γνωτι gekenntzeichnet 1 1.Einführung (Abkürzungen rot bei erstem Gebrauch) 1. Enzymatisch abgebaute Fette aus der Nahrung werden von der Mucosa des Dünndarms absorbiert. Diese werden in Lipoproteine, in diesem Fall Chylomikronen, verpackt und via Lymph- und Blutbahn dem Gewebe zugeführt. 1. Darm Begriffe: LPL -Lipoprotein Lipase, TG = Triglyzeride 2. Triacylglyceride (= Triglyzeride) werden von der Leber in Form von VLDL (very low density lipoproteins) in die Blutbahn sekretiert, und vom Blut zum Fettgewebe (zur Aufbewahrung) und zum Muskel (zum Verbrauch) transportiert. LPL HL 2. VLDL IDL LDL TG TG Leber Chylomikronen Periphere Gewebe LPL TG Periphere Gewebe (Muskel, Fettgewebe) (Muskel, Fettgewebe) Leber Chylomikronen- Remnants Leber Leber, Periphere Gewebe (Muskel, Fettgewebe) Begriffe: IDL - intermediate density lipoproteins, LDL - low density lipoproteins, LPL -Lipoprotein Lipase, HL - Hepatic lipase 3. Beim Fasten werden Lipide aus dem Fettgewebe als Fettsäuren (FS) ins Blut abgegeben und auf Albumin gebunden in die Verbraucherorgane und die Leber abtransportiert. Die Leber produziert daraus entweder Ketokörper oder setzt die FS in Form von VLDL wieder in Umlauf. 3. FS aus Fettgewebe --> Albumin --> Leber/Verbrauchergewebe 4. Cholesterin der peripheren Gewebe wird and HDL abgegeben welche es via VLDL-IDL- LDL oder direkt zur Leber bringen, wo es zu Gallensäuren umgewandelt und in die Galle ausgeschieden wird. Pathophysiologie: Hyper-und Dys-lipoproteinämien, verursacht durch genetische Defekte oder krankmachende Umweltseinflüsse, können zu Atherosklerose und frühzeitiger Invalidität/Tod führen. 2. Beschreibung des Fettgewebes

2 Fettgewebe: Ein Mann von 70kg besitzt ca. 15 kg Fett welches seine hauptsächliche Energie-Reserve darstellt. Die Orte der TG-Reservoire sind die Fettzellen, die im ganzen Körper verteilt, aber vor allem im Fettgewebe zu finden sind Herkunft der Lipide der menschlichen Gewebe 3.1. Nahrung Tiere: Tierische Nahrung enthält viel TG, viel Phospholipide (PL), Cholesterin (C) und Cholesterinester (CE). Pflanzen: Gemüse und Früchte (außer Avocado) haben wenig TG, wenig PL; Erdnüsse, Oliven, Sojabohnen, haben viel TG. Pflanzen enthalten kein Cholesterin, sondern Steroide die strukturell leicht verschieden sind von Cholesterin (Sitosterol, Stigmasterol, Brassicasterol und Avanesterol). Diese Steroide werden nur zu 1% resorbiert, während Cholesterin zu 50-60% resorbiert wird. Pflanzliche Steroide werden zwar, wie Cholesterin, in Mucosazellen des Dünndarms aufgenommen, aber 95% werden durch Membranpumpen ABCG5 oder ABCG8 apikal wieder herausgepumpt. ABCG5 und ABCG8 sind in der apikalen Plasmamembran von Darmmucosazellen und auch Hepatozyten vorhanden. ABCG5 und ABCG8 der Leber pumpen das wenige in Mucosa aufgenommen Sitosterol in die Galle. Die seltenen Mutationen in den Membranpumpen ABCG5 oder ABCG8 führen zu Sitosterolämie. ABCG5 und ABCG8 pumpen auch Cholesterin aus der Mucosazellen in den Darm und aus den Hepatozyten in die Galle und vermindern dadurch die Cholesterinaufnahme. (ABC = ATP binding cassette transporters; sind mit den MDR und MRP verwandt (siehe Xenobiotica)). Die von Weltgesundheitsorganisation empfohlenen Werte für die Cholesterinaufnahme sind für Erwachsene < 300 mg/tag und für Kinder <150 mg/tag. Ein Ei von 50 g enthält ca. 250 mg C, wobei das C nur im Eigelb vorhanden ist. Milch enthält ca. 130 mg C/liter, Käse 90 mg/100 g. Beim Fleisch (Rind) sind das Hirn (2200 mg/100 g), Leber (300 mg/100 g) und Niere (380 mg/100 g) am cholesterinreichsten. N.B.: Cholesterin wird auf englisch mit "cholesterol" und französisch mit "cholestérol" bezeichnet. 3.2 Endogen produzierte Lipide Cholesterin, pflanzliche Sterole Viele Gewebe können aus Glucose oder Aminosäuren Fettsäuren und Triglyzeride herstellen, vor allem das Fettgewebe und die lactierende Brustdrüse. Somit wird überschüssige Energie in Form von Triglyzeriden eingelagert. Die Gewebe stellen auch ihre eigenen Phospholipide her. Cholesterin wird ebenfalls in allen Geweben hergestellt, die Hauptmenge jedoch in der Leber. N.B.: Der erwachsene Körper produziert jeden Tag ca. 1,5 g Cholesterin. Somit wird bei normaler Ernährung das meiste Cholesterin nicht aufgenommen, sondern vom Körper synthetisiert. 4. Transport von Fetten zwischen Organen in Form von Lipoproteinen Lymph e Mucosazell e Cholesterin Definition und Auftrennung von Lipoproteinen Fette werden im Blut gebunden an Proteine transportiert, da sie für sich allein genommen wasserunlöslich sind. Def.: Apoprotein + Lipid = Lipoprotein. Konfiguration der Lipoproteine erinnert an eine Mizelle, wobei aber der Durchmesser viel grösser sein kann (Eine Mizelle aus Pflanzlich e Sterole Darm- ABCA1, Lumen ABCG5, ABCG8

3 Lysophospholipiden hat einen Durchmesser von ca. 5nm, während Lipoproteine einen Durchmesser von nm haben). Die Apoproteine werden von der Leber und von Darmmucosa synthetisiert. Lipoproteine werden durch verschieden Techniken aufgetrennt und detektiert. a) Durch Ultrazentrifugation : Mehrere Stunden bei 100'000 x g in einem Dichtegradienten. Die Partikel wandern im Gradienten bis sie den Ort ihrer eigenen Dichte erreichen. Hierauf beruht die Nomenklatur low density lipoprotein (=LDL), very low density lipoprotein (VLDL), high density lipoprotein (=HDL), etc. 3 b) Verschiedene Lipoproteine haben verschiedene Apoproteine. Durch den Western-Blot können Apoproteine mit spezifischen Antikörpern sichtbar gemacht und quantifiziert werden. Dies erlaubt ebenfalls, die Mengen verschiedener Lipoproteine abzuschätzen. Die Lipoproteine des Plasmas fallen in verschiedene Klassen, die sich bezüglich Grösse, Dichte, Protein-Gehalt unterscheiden. Betrachtung der Tabelle zeigt, dass die gleiche hierarchische Einordnung der Lipoproteine entsteht, wenn man sie auf Grund von Dichte, Grösse, Proteingehalt oder Lipidgehalt einreiht: Von links nach rechts steigen die Dichte und der Proteingehalt, sinken entsprechend der Lipidgehalt und die Grösse Chylomikronen VLDL IDL LDL HDL Dichte [g/cm -3 ] < 0.95 < Durchmesser nm Masse [kda] 400' ' ' % Protein a % PL a % C a % TG b % CE b Apolipoproteine AI, B48, CI, CIII, B100, CI, B100, CIII, E B100, AI, AII, E, CI, E, AII, CII CII, CIII, E, CII, CIII, D AI, AII a Oberflächenkomponenten; b Kernlipide - Je mehr Protein, desto dichter, je mehr Lipid, desto weniger dicht - Je höher der Quotient von Protein/Lipid, desto kleiner ist das Lipoprotein.

4 5. Funktionen von Apoproteinen. 4 Apoproteine wirken als a) Auslöser und Katalysatoren der Bildung von Lipoproteinen. Beispiel: apob48 und apob100. Beim Fehlen dieser Apoproteine können keine Chylomikronen und VLDLs gebildet werden und die Mucosa des Darms und die Leber verfetten. Lipoproteine mit verschiedenen Namen können sich nicht gegenseitig ersetzten. b) Aktivatoren oder Inhibitoren von Enzymen: - apoai aktiviert LCAT (lecithin: cholesterol acyl transferase), - apocii aktiviert LPL (Lipoproteinlipase) c) Liganden, die das Binden der Lipoproteine an zelluläre Lipoprotein-Rezeptoren und dadurch ihre Entfernung aus dem Kreislauf erlauben. Beispiel: apob100 bindet an apob100/apoe-rezeptor (siehe unten). N.B.: Lipoproteine sind keine statischen Einheiten, da viele Apolipoproteine und auch die Lipide (letztere mit Hilfe von spezifischen Transfer -Proteinen) zwischen verschiedenen Lipoproteinen kontinuierlich ausgetauscht werden (Ausnahme. ApoB-100, ApoB-48). N.B.: Die einzigen Lipide, die nicht als Lipoprotein-Partikel transportiert werden, sind die freien FS. Sie werden an Albumin gebunden transportiert. Man bezeichnet das Albumin nicht als Lipoprotein, da der Lipidanteil <1% beträgt. Auch ist Albumin nicht Lipid-spezifisch, es bindet andere hydrophobe Komponenten, z. B. Bilirubin, Medikamente, hat auch Bindungsstellen für Ca Normalwerte von Lipiden im Plasma (nüchtern) Lipide Konzentration (mmol/liter) Konzentration (mg/100 ml) Triglyzeride Cholesterin/ a Cholesterinester Freie Fettsäuren a Normalwerte nehmen mit steigendem Lebensalter zu. Freie FS sind nach der Nahrungsaufnahme im Plasma nicht vermehrt vorhanden obwohl LPL freie FS aus Chylomikronen freisetzt. Die Werte steigen erst nach längerdauernder Nahrungsabstinenz auf 0.8µmol/ml an, wenn Fettzellen Fettsäuren abgeben, welche von Verbrauchergeweben aufgenommen werden. Die Halbwertszeit der FS im Plasma ist relativ kurz und beträgt nur einige Minuten. Im Gegensatz zu den FS ist der Spiegel der TG hoch nach der Aufnahme von fettreicher Nahrung. Wie bestimmt man Halbwertszeit von FS im Serum? Im Tierversuch kann man die Halbwertszeit des Komplexes von Albumin mit den gebundenen Fettsäuren wie folgt feststellen: Es werden an Albumin gebundene Fettsäuren i.v. gespritzt, wobei entweder die gebundenen FS oder Albumin mit einem Radioisotop markiert ist. Nun wird periodisch die Radioaktivität von Blutproben gemessen. Die gemessene Abnahme der Radioaktivität ist das Resultat des Isotopenzerfalls und des biologischen Abbaus/Ausscheidung. Da die physikalische Halbwertszeit des Radioisotopes bekannt ist, kann die biologische Halbwertszeit errechnet werden. Sie beträgt für die freien FS ca. 8 min und für Albumin 20 Tage. 7. Resorption der Lipide aus dem Darm Gegessene Lipide kommen bei der Verdauung in Kontakt mit Gallensäuren, die eine Emulgierung, somit eine Vergrösserung der Wasser-Fettoberfläche bewirken. Sie haben Detergenswirkung. Lipide werden durch, Lipasen, Esterasen, Phosphodiesterasen etc. zu Bestandteilen, d.h. FS, Glyzerin, Cholesterin etc. abgebaut. Die Aufnahme dieser Abbauprodukte in die Darmmucosa wird gegenwärtig intensiv erforscht.

5 Die Sterolresorption (cholesterol, sitosterol) kann durch Ezetimibe drastisch gesenkt werden. Ezetimibe bindet und inhibiert NPC1L1, ein Cholesterin-bindendes Membranprotein das sich an der apikalen Oberfläche und in Endosomen von intestinalen Mucosazellen und Hepatozyten findet (JBC2006, p ; J Clin Invest Jul;117(7): ). Die Cholesterol-Aufnahme ist individuell verschieden und wird auch durch ABC-Pumpen (ABCA1, ABCG5, ABCG8) beeinflusst (s.o.). Deren Expression wird vom sog. LXR (liver X-receptor=Transkriptionsfaktor) induziert. Mucosazelle Leute die mehr von diesen ABC-Pumpen ausdrücken, eliminieren mehr Cholesterol und Phospholipide nicht nur aus den Körperzellen, sondern auch aus den Leber- und Darmmucosa-Zellen und resorbieren demgemäss auch weniger Cholesterin und können mehr Cholesterin essen, ohne dass ihr Blutcholesterin- Spiegel sich stark erhöht (Atherosclerosis 2002 Jan;160(1):1-10). Darmlumen 5 Interstitium Verdauung und Resorption von Lipiden. Begriffe: TG: Triglyceride, MG: Monoglyceride, FS: Fettsäuren, PL: Phospholipide, C: Cholesterin, CE: C- Ester, AS: Aminosäuren. Die Relationen der Partikeldurchmesser werden durch die Grösse der Kreise nicht exakt wiedergegeben: Fetttröpfchen ( nm), Mizellen (3-6nm), Chylomikronen ( nm). Im SER (smooth endoplasmatic reticulum) der Mucosazellen werden aus FS, C und Glyzerol TG, PL und CE zusammengebaut und als Chylomikronen in die Lymphbahn sekretiert. Apolipopotein B48 ist das absolut notwendige Apolipoprotein der Chylomikronen-Synthese. Apolipopotein B48 kann nicht durch andere Apolipoproteine ersetzt werden. Bei hereditärem apob48/b100-mangel entstehen Fetteinschlüsse in Mucosa-Zellen. Chylomikronen gehen primär in die Lymphe, wohl darum, weil sie zu gross sind, um durch die endotheliale Basalmembran der Kapillaren zu gelangen.

6 8. Aufnahme der Chylomikronen in die Gewebe; Rolle der Lipoproteinlipase Auf den Endothelzellen der Kapillaren sitzt eine sogenannte Lipoproteinlipase (LPL), die TG-Hydrolase-Aktivität besitzt: TG + 3 H 2 O > 3 FS + Glycerol, wobei die TG in Chylomikronen oder VLDL enthalten sein müssen. Unter Einwirkung der LPL verlieren die Chylomikronen % ihrer Masse. 6 Nahrung, TG Leber HDL remnant receptor = apoe-rezeptor =LRP Dünndarm via Lymphbahn nascent Chylomikron TG C apob-48 apoa apoa-i Eintritt ins Blut apocii apoe Chylomikron TG C apob-48 apoc apoe apocii Chylomikron remnants TG C apob-48 apoe Begriffe: Nascent chylomikron: entstehendes, reifendes Ch. Chylomikron remnant: Ch. Überreste Nascent = im Entstehen begriffen LRP: LDL related protein Remnant = Ueberbleibsel LRP= LDL-receptor related protein LPL Kapillaren im Fettgewebe und den Muskeln FS an Speicher und Verbrauchsgewebe N.B.: ApoB48 hat nur die Funktion, die Bildung von Chylomikronen zu ermöglichen und diese zu stabilisieren. Es gibt keinen Rezeptor im Körper der apob48 bindet. Repetition der verschiedenen Triglyzerid-Lipasen: Name Lokalisation Substrat Pankreatische Lipase Extrazellulär im Dünndarm TG, DG LPL Extrazellulär auf TG, DG Blutgefässendothelien HL Extrazellulär auf TG Hepatozyten ATGL (adipose tissue triglyceride Intrazellulär TG, DG, MG lipase, Andrenalin-abhängig) Hormon-abhängige Lipase (Adrenalin-abhängig) Adipozyten Intrazellulär in Adipozyten, Muskel, Hirn und andern Geweben TG = Triacylglycerol, DG = Diacylglycerol TG, DG Wo befindet sich LPL? Auf den kapillären Endothelzellen von Fettgewebe, Muskel (inkl. Herzmuskel), der Lunge, der Niere und den Brustdrüsen, jedoch nicht in der Leber. Das Enzym muss allosterisch aktiviert werden durch das apocii, das auf Chylomikronen oder VLDL vorhanden ist. Auf den Leberzellen findet sich ein ähnliches Enzym (HL), das aber weder Chylomikronen

7 noch VLDL angreift. Beide Enzyme, LPL und HL, sind an andere Oberflächen-Proteine oder Heparansulfate gebunden, sind somit periphere Membranproteine. 7 Synthese von LPL LPL wird in den unterliegenden glatten Muskel- und Fettzellen, nicht in den Endothelzellen selber hergestellt. LPL diffundiert durch BM zu den Endothelzellen und wird durch Transzytose an luminale Oberfläche der Gefässendothelien gebracht. Vergleich von Lipoproteinlipase (LPL) und hepatischer Lipase (HL) LPL HL Wo? Kapillarendothelien, Basalmembran, subendotheliale Matrix in Herz, Muskel Leber, Macrophagen und Fettgewebe, d.h. FS verbrauchenden Geweben Regulation Insulin induziert Transkription der LPL im Fettgewebe, LPL wird apociiunabhängig allosterisch aktiviert durch apocii und auch andere polymorphe Regulatoren* Verankerung Via glycosyl-phosphatidyl-inositol anchored high-density lipoprotein binding Via Heparansulfat protein 1 (GPIHBP1) Spezifität TG von Chylomikronen, VLDL TG und PL von IDL, HDL *Biochim Biophys Acta Apr;1801(4): Regulation der LPL LPL ist ein kurzlebiges Enzym. Die Transkription in Fettgewebe wird durch Insulin induziert. LPL des Fettgewebs ist daher nach Mahlzeiten hoch, beim Fasten tief. LPL interagiert mit Chylomikronen, wird von Chylmikronen-Remnants dem Endothel entrissen und bleibt oft auf dem verdauten Chylomikron gebunden und fördert Aufnahme des Remnants in die Leber. Pathophysiologie des LPL-Mangels: Genetischer Mangel von LPL oder apocii führt zu Hyperlipoproteinämie Typ I = Hyperchylomikronämie, s.u.. Das Symptom dieser Krankheit ist eine lang anhaltende Hypertriglyzeridämie nach Einnahme von TG. Schicksal der Chylomikronen im Blut nach einer Mahlzeit, welche Insulin-Sekretion anregt: (Siehe obiges Schema über Chylomikronen) Die Halbwertszeit des Abbaus durch LPL beträgt min. Jedoch bleibt der Chylomikronenspiegel des Blutes nach dem Genuss eines Fondues während 5-10 Std. hoch, da die Resorptionsphase 5-10 Std. dauert. Die im Blutweg nicht abbaubaren sogenannten Restkörper (remnants) der Chylomikronen werden von der Leber aufgenommen. Die Aufnahme der "remnants" in die Hepatozyten wird durch das Binden von apoe der remnants an Heparansulfate und den apoe-rezeptor = LRP1 (LDL-receptor related protein = remnant receptor 1) auf den Hepatozyten und die darauffolgende Endozytose vermittelt. Der apob100/apoe-rezeptor = LDL-Rezeptor ist anscheinend unter physiologischen Bedingungen nicht beteiligt, da bei Defekten im LDL-Rezeptor beim Mensch die Chylomikronen- Remnants nicht erhöht sind. Beim durch LPL verursachten Schrumpfen der Chylomikronen werden Apoproteine (z.b. apocii), Phospholipide und freies C an HDL abgegeben, wobei apocii, solange es noch auf Chylomikronen sitzt, die Bindung von apoe an Hepatozytenoberfläche verhindert. => Keine Aufnahme von Remnants welche nicht maximal zusammengeschrumpft sind. Schicksal der durch LPL freigesetzten FS und Monoacylglycerol Glycerol und FS diffundieren zum Teil ins unterliegende Gewebe, zum Teil werden sie durch das Blut, an Albumin gebunden, weitergetragen, bevor sie ins Gewebe diffundieren. FS gelangen mit Hilfe von Transportproteinen oder durch spontanen Flip durch die Plasmamembran in die Zelle. FATPs (fatty acid transport proteins) sind intrazelluläre zytosolische oder membrangebundene Proteine welche für die intrazelluläre Metabolisiernng von FS notwending sind. FATPs aktivieren FS durch Ankoppeln von Coenzym A, d.h. sie sind Azyl-CoA Synthasen. Ihr Name transport proteins kommt daher, daß

8 das Ankoppeln von CoA die FS daran hindert, wieder durch die Membran zurück zu floppen und wieder aus der Zelle heraus zu diffundieren. Das Ankoppeln von CoA fängt die FS ein und macht sie gleichzeitig metabolisierbar. Glycerol kann vom Fettgewebe nicht verwendet werden und wird von Leber aufgenommen und metabolisiert Umbau von FS in der Leber; Synthese von VLDL FS werden in den Muskeln zu CO 2 abgebaut. In Leber und Fettgewebe werden FS zu TG verarbeitet. Die Leber gibt ihre Lipide (TG, C) normalerweise ab in Form von VLDL. Die VLDL-Synthese ermöglicht der Leber den Export von15-40 g TG/Tag. FS der Leber sind in Leberzelle synthetisierte FS, von Albumin überbrachte FS aus der Lipolyse, FS aus endozytierten Chylomikron remnants, IDL, LDL und HDL. Die FS- Synthase im Zytoplasma produziert vor allem die FS C16:0 und C18:0. Alle FS können mit Coenzyme A aktiviert und danach verlängert sowie desaturiert werden. Es gibt beim Menschen nur Desaturasen für Desaturation in Positionen 4, 5, 6 und 9. Die FS werden im ER bis auf C38 verlängert, jedoch werden ultralange FS in den Peroxisomen durch β-oxidation wieder verkleinert, sodass man normalerweise im Körper keine FS > C26 vorfindet, ausser in der Haut. Ultralange und auch verzweigt-kettige FS, die aus der Nahrung stammen finden sich im Blutplasma bei Patienten mit genetischen Defekten in den Peroxisomen (z.b. Zellweger-Syndrom, congenitale Adenoleukodystrophie). Die Leber ist somit Aufnahme-, Synthese- und Umbau-Ort von Lipiden, aber normalerweise nicht der Speicherort. Die Synthese von VLDL in der Leber hat viel Ähnlichkeit mit der Synthese von Chylomikronen im Darm. In beiden Organen erfolgt die Synthese in polarisierten Zellen, die basolateral (blutseitig) sekretieren. Bei der Bildung beider Lipoproteine spielt apob eine zentrale Rolle, in der Leber ApoB100, in Mucosa ApoB48, welche beide vom selben apob Gen abgelesen werden. Pathophysiologie Genetische Schädigung von apob100 bewirkt ein abnormales Lipoprotein-Profil. Auf der Serumelektrophorese sind weder VLDL noch LDL zu sehen, letztere fehlen, da LDL aus VLDL entstehen. Die Leber kann TG nicht exportieren, sie verfettet. Vergleich von Chylomikronen und VLDL Chylomikronen VLDL Herkunft Darm Leber Apoproteine B48, AI, AII, CII, CIII, E B100, CI CII, CIII, E Herkunft der FS Aus der Nahrung aufgenommen Von Leber synthetisiert oder aufgenommen Abbau durch LPL LPL Restkörper Chylomikronen remnant VLDL remants = βvldl = IDL Aufnahme der Restkörper Heparansulfate und LRP1 = apoe IDL aufgenommen durch LDLin Leber durch Rezeptor, die ans apoe binden Rezeptor, der ans ApoE bindet 10. Umwandlung von VLDL in LDL a) Veresterung des Cholesterins der VLDL. Hierzu wird Cholesterin auf HDL übertragen und von LCAT verestert und wieder zurücktransferiert auf VLDL (s.u.). b) LPL entfernt TG aus den VLDL. Diese werden zu IDL. c) apocii und apociii werden von schrumpfenden VLDL an HDL abgegeben. d) Ca. 50% der IDL werden schnell via LDL-Rezeptor in die Leber aufgenommen, Ligand ist apoe. (Warum nicht in der Peripherie, wo derselbe Rezeptor vorhanden ist? Antwort: Weil IDL zu gross sind um durch die (unfenestrierten) Basalmembranen der Gefässe zu gelangen.) e) Alte IDL, welche ApoE verloren haben werden langsam durch HL zu LDL abgebaut. Die entstehenden LDL haben nur noch AboB100 welches an apob100/apoe-

9 Rezeptor binden kann. Die Aufnahme der LDL läuft aber nur sehr langsam, da der LDL Rezeptor für apob100 eine 25x schlechtere Affinität hat als für apoe. 9 Drei wichtige Rezeptoren für Lipoproteine NAME/ STRUKTUR SYNONYME LDL-Rezeptor= apob100/apoe- Rezeptor LRP1 = LDL- Receptor-related protein= apoe-rezeptor = remnant receptor HDL-Rezeptor = Scavenger receptor = SRB1 = CD36 Typ I 160kD Transmembran-Protein Affinität für apo-b x kleiner als für apoe Ähnlich wie LDL- Rezeptor. Bindet an apoe der Lipoproteine. *Lp(a) ist eine Variante von LDL Transmembran-Protein. Bindet viele verschiedene Liganden GEWEBEVER- TEILUNG Ubiquitär, 70-80% in der Leber Grossteil auf der Leber Leber, ubiquitär FUNKTION Endozytose von -LDL via apob100 -IDL via apoe -Lp(a)* Kann down -reguliert werden -Endozytose von Chylomikronen-Remnants, Lp(a)* und anderen, pathologischen Lipoproteinen Aufnahme von HDL-CE in die Leber, wobei HDL nicht endozytiert zu werden braucht 11. Störungen der VLDL-Biosynthese der Leber führen zu Leberverfettung Die TG, die in der Leber synthetisiert werden, können nur als VLDL exportiert werden. Dies setzt voraus, dass die Apoproteinsynthese und die Phosphatidylcholinsynthese intakt sind. Bei Störungen dieser Prozesse verfettet die Leber. Die Ursachen der Leberverfettung können in zwei Kategorien eingeteilt werden: a) Erhöhtes Aufgebot von freien Fettsäuren wegen - Hunger (Glucagonauschüttung, Lipolyse)

10 - Diabetes mellitus Typ I (ähnlich wie Hunger: sehr hohe Lipolyse im Fettgewebe) - Fettreiche Diät. 10 b) Leber hat verminderte Kapazität Apolipoproteine und PL herzustellen - Hunger: AS werden für Gluconeogenese gebraucht. > Die Die Synthese von (Apo)proteinen (apob100) nimmt ab. Cholin-Mangel bei Hunger > verminderte Synthese von Phosphatidylcholin. - Vergiftungen, Alkoholismus 12. Mobilisation der Fettreserven im Hungerzustand und Stress Das Hunger- und Stresshormon (Nor)adrenalin aktiviert Proteinkinase A, die die TG Hydrolyse aktiviert. Somit wird im Fettgewebe bei Hunger die Lipolyse angedreht und Fettsäuren gelangen ins Blut. Wenn Nahrungsaufnahme eintritt, dann wird Insulin ausgeschüttet. Insulin bewirkt Dephosphorylierung der von PKA phosphorylierten Proteine. Repetition 1. Jahr: Die TG Lipasen sind Adipose triacylglycerol lipase (ATGL), Hormone sensitive Lipase (HSL) und Monoglyceride lipase (MGL). HSL -/- Mäuse haben normale TG-Speicher, ATGL - /- Mäuse akkumulieren TG in allen Geweben, inkl. Herz, haben Herzfunktionsstörungen und sterben frühzeitig. Ein Modell der Regulation der Lipolyse in Muskel und Fettgewebe. A, im Ruhezustand sitzen ATGL, sowie Perilipin A (Peri A), im Komplex mit CGI-58, (auch Abhd5 genannt), auf Lipidtropfen. Hormone sensitive lipase (HSL) ist im Zytosol. B, Stresshormone (Adrenalin) aktivieren Bildung von camp, welches Proteinkinase A (PKA) aktiviert. PKA phosphoryliert Peri A, wodurch CGI-58 vom Peri A losgelöst wird, ATGL bindet und dadurch aktiviert. PKA phosphoryliert auch HSL, welches an Peri A auf Lipidtropfen bindet und dadurch aktiv wird. Nur ATGL hydrolysiert TG in effizienter Weise zu DG + FA ( diacylglycerol + fatty acid ), während HSL nur DG gut hydrolysieren kann und MGL nur Monoacylglyzerol (MG) hydrolysiert. Perilipin KO-Mäuse essen mehr, haben erhöhte Lipolyse im unstimulierten Zustand, können durch hochkalorische Diät nicht dicksüchtig gemacht werden, aber sie haben eine erhöhte Tendenz Glucose-intolerant und Insulin-resistent zu werden. Somit ist Perilipin A kaum ein mögliches drug target für Medikamente gegen Dicksucht. 13. Aufnahme von LDL in die Gewebe LDL werden durch den LDL-Rezeptor = apob100/apoe-rezeptor gebunden und durch Endozytose aufgenommen. Dieser Rezeptor ist ziemlich ubiquitär, d.h. in allen Geweben vorhanden. LDL-Rezeptor (sowie auch LRP) haben auf cytosolischer Domäne ein Asn-Pro-X-Tyr-Motiv, das auf manchen Rezeptoren vorkommt und eine rasche Endozytose via "coated pits" erlaubt. Die endozytierten Vesikel werden von ihrer Clathrinhülle befreit und der ph in ihrem Innern sinkt in wenigen Minuten auf ~5.0.

11 Bei dieser ph-senkung werden auf extrazellulärer Domäne des LDL-Rezeptors gelegene Asp und Glu protoniert. Da diese Asp und Glu direkt in der Bindungsstelle liegen, sinkt die Affinität des Rezeptors für apob100, das LDL dissoziiert vom Rezeptor ab; letzterer wird durch spezielle Vesikel zur Zellmembran zurücktransportiert (recycling),während LDL zu Lysosomen weiterverfrachtet wird. So eine Rundreise Oberfläche->Endosom->Oberfläche dauert für den LDLRezeptor 10 min. Freies Cholesterin kann mit Hilfe von NPC1, einem Membranprotein, aus dem Lysosom herausgebracht werden und so ins ER und andere Zellmembranen gelangen. Fehlen von NPC1 führt zu Cholesterinanhäufung in Lysosomen. Die seltene Krankheit welche v.a. Hirnzellen in Mitleidenschaft zieht, ist unter dem Namen der Nieman-Pick schen lysosomialen Speicherkrankheit bekannt geworden. Endozytose von apob100/apoe-rezeptor benötigt LDL receptor adaptor protein = ARH, dessen genetisches Fehlen bei der sog. autosomal recessive hypercholesterinämia (ARH) eine Hypercholinesterämie bewirkt. Die Halbwertszeit der LDL's im Plasma beträgt mehrere Tage. LDL sind somit nicht nur eine Transportform für Lipide und insbesondere für CE, sondern auch eine Zwischenlagerungsstätte oder eine vorläufige Deponie. 14. Familiäre Hyperlipoproteinämie IIa = LDL-Rezeptor-Mangel Häufigkeit in unserer Bevölkerung: Homozygote 1 : 106 Heterozygote 1 : 500 Normal Heterozygot LDL-R +/- Durchschnittl. Cholesterin-Konzentration im Blutserum 4.5 mm = 174 mg/ 100 ml 9.0 mm = 348 mg/ 100 ml Homozygot LDL-R -/ mm = mg/ 100 ml zum Vergleich : apoe Defizienz mm = mg/ 100 ml Molare Masse von Cholesterin: g/mol Bei den Homozygoten LDL-R -/- müssen LDLs via Scavenger-Rezeptoren aufgenommen werden. Wenn man Hypercholesterinämie als C-Konzentration > 7.5 mm C definiert, ist LDL-R Defekt bedingte Hypercholinesterinämie als dominant zu bezeichnen, im Gegensatz zu ARH (s.o.) Cours/Médecins/Lipidmetabolismus November 26,

12 Symptome: Heterozygote machen 5% derjenigen aus, die vor dem 60. Lebensjahr einen Herzinfarkt machen! (Erwartungs-Wert, wenn keine Korrelation bestünde: 1: 500 = 0.2%; somit haben Heterozygote ein 5/0.2 = 25 fach erhöhtes Risiko, vor 60 einen Infarkt zu machen). 80% der heterozygoten Männer und 50% der heterozygoten Frauen haben Herzinfarkt vor 60. Homozygote machen einen Infarkt meist schon im Kindesalter. Es bilden sich Xanthome in Haut und Sehnen (Knoten von Cholesterinablagerungen). Das Problem sind Ablagerungen in den Gefässen, die zu Arteriosklerose und Obstruktionen führen. Frage: Wie gross ist das Risiko für eine normale Frau, vor 60 einen Herzinfarkt zu machen? 12 Hunderte von verschiedenen Mutationen sind im LDL-Rezeptor gefunden worden. Es ist nicht gleichgültig, wo die Mutation liegt, denn die verschiedenen Mutationen beeinträchtigen die Funktionalität des Rezeptors sehr unterschiedlich. Bewirkt eine Mutation eine völlige Zerstörung der Funktion des Rezeptors oder schaltet sie den Promotor völlig aus, so hat das beim Heterozygoten einen 50% Ausfall der Rezeptor-Funktion zur Folge. Da der LDL-Rezeptor ein Dimer ist, ergeben sich in heterozygoten Individuen, je nach Allel, Konstellationen, wo die die normale Untereinheit von der mutierten Form sabotiert wird oder andere Konstellationen, wo die normale Untereinheit den Defekt der mutierten Untereinheit überbrückt. Solche Effekte werden bei Mutationen auch in andern polymerisierenden Proteinen sichtbar, z. B. von Willebrand-Faktor, Kollagen etc. Viele Mutationen bewirken nur einen teilweisen Funktionsausfall. Die Auswirkungen verschiedener Mutationen auf die Physiologie/Biologie des Rezeptors können z.b die folgenden sein : 1) Verringerte Menge von Rezeptor, kein Rezeptor (Promotor defekt, mrna falsch gespleisst, instabil, untranslatierbar etc) 2) Proteinfaltung (folding) mangelhaft was dazu führt, dass der Rezeptor vermehrt intra-zellulär abgebaut wird und der Transport von ER zu Plasmamembran beeinträchtigt ist. 3) Erniedrigte Affinität des Rezeptors für LDL 4) Endozytose durch Clathrin-coated pits defekt. 5) Kürzere Halbwertszeit des Rezeptors durch geringere Stabilität. 6) Signal für das Recycling von Endosom zurück an Plasmamembran kann fehlen. etc. 15. Cholesterinhomeostase 15.1 Regulation des Cholesteringehaltes in den Zellen Wenn der Cholesteringehalt des Körpers stabil ist, so besteht ein sog. Fliessgleichgewicht zwischen X, Y, Z, wo X die Geschwindigkeit der Aufnahme, Y der endogenen Produktion und Z der Auscheidung ist. X + Y = Z. Dies gilt sowohl für die Einzelzelle als auch für den Körper als Ganzes. N.B. Cholesterin kann vom Körper nicht zu CO 2 abgebaut werden und muss deshalb "entsorgt" werden. Freies Cholesterin ist für die Zelle wichtig, um die Plasmamembran dicht zu machen. C wird wird in speziellen Membranbezirken (sog. "rafts") stark angereichert. Jedoch ist ein zu hoher Gehalt von freiem Cholesterin nicht

13 tolerierbar, da Cholesterin selbst keine Lipid-Doppelschichten bilden kann und bei zu hoher Konzentration die Lipiddoppelschicht zusammenbrechen lässt. Freies Cholesterin kann von Zelle auf verschiedene Weisen vermindert werden: 1. Inhibition der endogenen Produktion, 2. Veresterung, 3. Inhibition der Aufnahme aus Umgebung, 4. Stimulation des aktiven Herauspumpen von freiem Cholesterin durch Plasmamembran, 5. Umwandlung in besser wasserlösliche Oxysterole, die durch Plasmamembran nach Aussen diffundieren können Inhibition der endogenen Cholesterin-Synthese durch freies Cholesterin 1a) Inhibition von HMG-CoA-Reduktase über zwei verschiedene Mechanismen: -Allosterisch: Die Erhöhung von freiem Cholesterin in der ER Membran verändert die Enzymkonformation und führt zum schnellen proteolytischen Abbau von HMG-CoA- Reduktase. -Transkription: Keine Transkription von HMG-CoA Reduktase, wenn C in genügender Konzentration vorhanden ist: SREBP, ein spezielles Membranprotein des ER, wird bei Cholesterin-Mangel in den Golgi transportiert und dort proteolytisch gespalten, der abgespaltene N-terminale Teil des Proteins wandert in den Kern wo er als Transkriptionsfaktor wirkt und die Transkription der HMG-CoA-Synthase sowie anderer Gene wie z.b. LPL sowie die Fettsäuresynthase stimuliert. (Ref.: Cell 89, 1997, p , Brown and Goldstein). Genauer: HMG-CoA-Reduktase besitzt eine SSD = sterol sensitive domain, welche 6 transmembranären Helices enthält. Diese Domäne bindet C und wird dabei allosterisch verformt. Der schnelle Abbau von HMG-CoA bei hoher C-Konzentration ist von Präsenz der SSD abhängig. Die katalytische Funktion von HMG-CoA wird vom C-terminalen Teil allein ausgeführt. Detaillierte Beschreibung wie Cholesterol die Spaltung von SREBP bewirkt: Bei hoher Cholesterinkonzentration der ER Membran bleibt SREBP im ER, in einem Komplex mit SCAP und Insig. SCAP hat auch eine SSD, welche homolog ist zu derjenigen von HMG-CoA-Reduktase. Wenn Cholesterinkonzentration der ER Membran sinkt, ändert SSD des SCAPs seine Konformation, Insig bindet nicht mehr, und SCAP-SREBP-Komplex wird in Vesikel verpackt, die in den Golgi wandern. Dort befindet sich die site 1 protease (S1P) und site 2 protease (S2P), welche vom SREBP ein wasserlösliches Fragment (bhlh-zip= basic helixloop-helix Zipper) herausschneiden, welches in den Kern wandert und als Transkriptionsfaktor wirkt für Gene, welche SRE (sterol responsive element) im Promoter haben. SCAPknock out Mäuse, zeigen eine um 80% verringerte Cholesterin- und auch FS-Synthese in der Leber, weil SREBP allein nicht aus dem ER rauskommt. SREBP-2 wirkt vor allem auf Cholesterol-biosynthetisierende Enzyme, SREBP-1 auf FS- und Phospholipide synthetisierende Enzyme, Auch ist die normalerweise durch zuckerreiche Nahrung und Insulin ausgelöste Erhöhung der FS-Synthese in der Leber durch SREBP-1 vermittelt und in SCAP -/- Mäusen nicht mehr vorhanden (Genes Dev 2001 May 15;15(10): ).

14 SREBP = SRE-Binding Protein = Transkriptionsfaktor der auf SRE's bindet. SRE = Steroid Responsive Element = kurze DNA Sequenz in HMG-CoA-Reduktase Promoter, an welche sich SREBP bindet. SCAP = SREBP Cleavage Activation Protein, Protein welches durch Cholesterol allosterisch verformt wird sodass es an Insig bindet und SREBP nicht mehr in den Golgi "eskortieren" kann. Regulation von C Synthese via Oxysterole: Erhöhtem Cholesterolgehalt in den Zellen => vermehrte Bildung von Oxysterolen = Cholesterolen, die auf Positionen 7, 24, 25 oder 27 hydroxyliert sind. Diese binden Insig, und machen, dass es SCAP nicht mehr loslässt => SREBP bleibt im ER, keine Ankurbelung der C Synthese (PNAS 2007; 104, pp ). 14 Repetition: Aus Acetoacetyl-CoA und Acetyl-CoA macht die Zelle im Zytosol 3-Hydroxy- 3-methyl-Glutaryl-CoA, welches zu Mevalonat reduziert wird. 2 Acetyl-CoA Acetoacetyl-CoA + Acetyl-CoA + H 2 O HMG-CoA-Synthase HO O C S CoA CH 2 C CH 3 CH 2 COO - spaltendes Enzym in den Mitochondrien HMGCoA-Reductase Acetyl-CoA + Acetoacetat CH 2 OH CH 2 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA HO CH 2 C CH 3 CH 2 COO - Mevalonat Die Mevalonatbildung ist der irreversible Schritt ("committed step") in der Cholesterin-Synthese, das heisst, Mevalonat kann nur in die Richtung von Cholesterin (oder andern Isoprenoiden) weiterverarbeitet werden. Bei der Ketonkörper-Bildung in der Matrix der Mitochondrien wird HMG-CoA gebildet aber kein Mevalonat. 1b) Verminderung anderer Enzyme der Cholesterin-Synthese via Regulation weiterer Biosynthese-Enzyme. Auch die Promotoren von HMG-CoA-Synthase, Farnesyldiphosphat-Synthase, Squalene-Synthase enthalten SRE's und werden demnach bei Cholesterolmangel angedreht, bei Ueberfluss abgestellt => nicht nur das Schlüsselenzym wird reguliert. 2. Veresterung von freiem Cholesterin Freies Cholesterin stimuliert seine Verwandlung in Depotform durch Stimulation der intrazellulären ACAT = Acyl-CoA-Cholesterinacyltranserase. Palmitoyl-Coenzyme A + Cholesterin Palmitoyl-Cholesterin + Coenzyme A Verestertes Cholesterin befindet sich nicht in den Zellmembranen, riskiert auch nicht auszukristallisieren, sondern liegt in Form von Fetttröpfchen in der Zelle vor. 3. Regulation der Aufnahme von Cholesterin durch die LDL-Rezeproten via: a) Inhibition der LDL-Rezeptoren-Synthese: LDL-Rezeptor Gen hat SRE im Promotor, und tatsächlich wird es durch C-Mangel induziert. Keine LDL-Rezeptor-Synthese bei C-Ueberfluss. b) Kurzfristige down -Regulation, indem der Rücktransport der Rezeptoren zur Zellmembran bei Cholesterinüberfluss verzögert wird; somit hat Zelle weniger LDL-Rezeptoren an der Oberfläche, dafür mehr in den Endosomen.

15 4. Regulation des Exports des C aus der Zelle. Der Export von Cholesterin aus den Gewebezellen in die HDL (s.u.) wird stark beeinflusst von ABCA1, einem ubiquitären ABC-Transporter, welcher Cholesterin und Phospholipide aus den Zellen herausflippt/herauspumpt. ABCA1 kann direkt das bei HDL-Delipidation entstehende, freie ApoAI binden und die periphere HDL-Bildung einleiten. ABCA1-Defizienz (sog. Tangier diesease) bewirkt extrem tiefe HDL-Cholesterol-Werte, fast kompletes Fehlen von HDLs. Transkription von ABCA1 wird durch den LXR/RXR angeworfen. LXR/RXR (liver X receptor/retinoid X receptor) befindet sich im Zellkern, und wird durch eine Vielzahl von Lipiden, z.b. Oxysterolen aktiviert: Zellulärer Cholesterin-Gehalt Oxysterole LXR-Aktivität ABCA1 Cholesterin-Export Umwandlung in Oxysterole und Export durch die Plasmamembran. Oxysterole, wie schon oben gesagt, vermindern die endogene C-Biosynthese (durch Binden von SCAP an Insig) und fördern den C Export (durch Induktion von ABCA1). Daneben aber sind Oxysterole auch wasserlöslicher als C und diffundieren durch Plasmamembran und gelangen auf dem Blutweg zur Leber wo sie zu Gallensäuren umgewandelt werden Die Rolle von HDL Wege des Cholesterins: HDL bringen Cholesterin aus peripheren Geweben zurück in die Blutzirkulation, von wo aus es in die Leber aufgenommen wird. Wo werden HDL gemacht? a) Leber, b) Intestinum c) Intravasal beim Abbau von VLDL oder Chylomikronen aus PL und Apoproteinen die überflüssig werden, wenn sich diese Lipoporteine verkleinern. Welches sind die wichtigsten Apoproteine für Funktion der HDL? a) ApoAI. Macht mengenmässig 60% der Apoproteine des HDL aus. - Ist das essentielle Strukturprotein, das die HDL-Bildung erlaubt. Auf allen HDL vorhanden - Bindet and ABCA1 und fördert dadurch C Aufnahme durch HDL und nascierende HDL - Ist obligater Aktivator von LCAT - Bindet an Scavenger Receptor (SRBI) der Leber und vermittelt so den Export von CE in die Leber c) ApoCII - wird von den HDL an Chylomikronen und VLDL abgegeben, erlaubt diesen Lipoproteinen LPL zu aktivieren und wird bei Grössen-Reduktion dieser Lipoproteine von HDL wieder aufgenommen (Kreislauf). d) ApoE - wird an Chylomikronen und VLDL abgegeben. Kreislauf wie für ApoCII (s.o.). HDL sind prädisponiert, um an Gewebezellen heranzukommen, da sie klein genug sind, um vielerorts durch LDL / VLDL TG CE TG TG TG CETP C E TG HDL CE CE TG CE CE

16 die Basalmembran von Gefässen zu gelangen. Sie sind daher in interstitieller Flüssigkeit und im Blut in ähnlich hoher Konzentration vorhanden. LCAT spielt eine zentrale Rolle. Es fixiert das Cholesterin im HDL und verhindert so seine Rückdiffusion ins Gewebe. Es benötigt Aktivierung durch ApoAI. Im Blut wird CE via CETP (Cholesterinester- Transferprotein) an LDL oder VLDL weitergegeben, welche im Gegenzug TG oder C an HDL abgeben. 16 1/8 der HDL wird pro Tag in die Leber aufgenommen durch unbekannte Rezeptoren. Der Scavenger-Rezeptor SRB1 der Leber bindet ApoAI der HDL und vermittelt den Efflux von CE in die Leberzelle, sodass HDL wieder delipidiert werden. Zumeist wird HDL intravasal umgebaut, da ihm durch HL TG entzogen werden. Die frei werdenden Komponenten, v.a. ApoAI, werden zum Aufbau neuer HDL gebraucht. Nascierende, d.h. eben neu hergestellte HDL sind scheibchenförmige Phospholipid-Doppelschichten welche Apolipoproteine enthalten. Unter der Wirkung von LCAT wird aufgenommenes Cholesterin verestert und somit hydrophob gemacht. CE wandern ins Innere des HDL und lassen dieses zu einer Kugel werden. Phosphatidylcholine + Cholesterin CE + lyso-phosphatidylcholine Vergleich von ACAT und LCAT Lokalisation Fettsäuren-Donor Funktion ACAT = Acyl-CoA- Cholesterol Acyltranserase Intrazellulär, Biosynthese von freiem C stimuliert Acyl-CoA LCAT = Lecithin- Cholesterol Acyltransferase Blutplasma, von ApoAI allosterisch aktiviert Lezithin = Phosphatidylcholin Fixierung von C in Form von unschädlichem CE in Lipidtröpfchen Fixierung von C in Form von CE in HDLs 15.3 Ist Blut-Cholesterin ursächlich beteiligt an Atherosklerose?

17 Oft wird behauptet, hohes Blut-Cholesterin bewirke Arteriosklerose. Die Befunde sind: a) Klinische Korrelation zwischen dem C-Spiegel im Blut und der Häufigkeit cardiovasulärer Erkrankungen. b) Die atheromatös veränderten Endothelien enthalten grosse Mengen an Cholesterinestern. Zu a): Neuere Studien zeigen daß nicht nur Blut-Cholesterinwerte sondern auch andere Parameter mit einem erhöhten Coronar-Risiko (Risiko einen Herzinfarkt zu machen) korrelieren: a) VLDL erhöht (= TG erhöht) b) LDL-Cholesterin erhöht c) VLDL und LDL erhöht d) HDL 2 /LDL - Quotient erniedrigt e) Lp(a) (Lipoprotein (a)) erhöht (nicht in allen Studien) Lp(a) ist eine Variante von LDL, in welcher apob100 kovalent, via S-S-Brücken, an Apo(a), ein weiteres Protein, gebunden ist. Nur wenige % der LDL sind auf diese Weise modifiziert. Die normale Funktion von Apo(a) ist unbekannt. 17 Viele Studien beim Mensch zeigen, dass eine Erhöhung des HDL-Cholesterins nicht nur keinen Schaden anrichtet, sondern sogar die Entwicklung arteriosklerotischer Veränderungen bremst, bzw. mit vermindertem Herzinfarkt-Risiko verbunden ist. Z.B. haben transgene Mäuse, welche apoai überexprimieren, wesentlich mehr HDL und HDL- Cholesterin und sind gegen Arteriosklerose weitgehend geschützt. Die Arteriosklerotischen Veränderungen entstehen über verschiedene Stadien: Histologisch Fatty streak, reversibel Fibröse Veränderungen = fibrous plaque Komplexe Läsion, Thrombi, Verkalkung pathologische Vorgänge 1) LDL und auch TG-reiche Lipoproteine binden an Proteoglycane der Epithelzellen und subendothelialen Matrix, infiltrieren die Arterienwand und werden mit der Zeit minimal oxidiert durch reaktive Derivate von Sauerstoff (ROS = reactiv oxygen species ). 2) Minimal oxidierte LDL induzieren eine starke entzündliche Reaktion, es erfolgt eine Einwanderung von Lymphozyten und Blut-Monozyten welche sich unter dem Einfluss von Lymphokinen (M-CSF) zu Makrophagen (MØ) umwandeln. 3) MØ produzieren ebenfalls ROS und die LDL werden mit der Zeit sowohl in Lipiden wie Proteinen stark oxidiert und durch die Makrophagen via sog. Scavenger-Rezeptoren* endozytiert. Obwohl die MØ via Scavenger-Rezeptor SRB1 und ABCA1, ABCG1 C auch exportieren können, entstehen mit der Zeit sog. foam cells (Schaumzellen) = Makrophagen mit massiven, "schaumigen" Fetteinschlüssen. 4) Foam cells sterben, da sie das aufgenommene C nicht abbauen können. Es entsteht ein nekrotischer, lipidreicher Kern, und eine reaktive Entzündung mit Proliferation der Fibroblasten. Es folgen Kollagensekretion und Verkalkung. 5) Der Elastizitätsverlust des Gefässes führt zu mechanischen Läsionen des Endothels, Thrombusbildung, was zum Gefässverschluss führt. Wenn anatomisch keine Kollateralgefässe bestehen oder diese auch arteriosklerotisch verschlossen sind Nekrose = Infarkt * Scavenger-Rezeptoren: Als Scavenger Rezeptoren werden Rezeptoren bezeichnet, welche diverse Lipide und Lipoproteine binden, whelche auf Bakterien und oxidativ geschädigten Lipoproteinen vorhanden sind. Fetteinschlüsse der foam cells entstehen durch exzessive Aufnahme von oxidativ veränderten LDL via die Gegenwärtig hat man in Säugern 7 Genfamilien identifiziert, welche Scavenger-Rezeptoren codieren. Die 7 Familien sind untereinander nicht verwandt Einblicke durch Studien in Mäusen Die Maus ist ein Tier das natürlicherweise keine Arteriosklerose entwickelt. Mäuse haben meist weniger als 100mg/dl (2.6mM) Cholesterin im Blut, das meiste C ist in den HDL. Wenn Mäuse jedoch mit cholesterinreicher Nahrung und Cholsäure (Gallensäure) gefüttert werden, dann kriegen sie Arteriosklerose. Heute werden viele Arteriosklerose-Studien mit knock out (KO) Mäusen oder transgenen Mäusen gemacht.

18 Einige Beispiele: 18 x in mg/100ml Science Vol. 272, 1996, p.687 Cholesterinreiche Nahrung: Aufnahme von Chylomikronen-Remnants in Leberzellen => C-Spiegel, die Expression von LDL-Rezeptoren in der Leber => Aufnahem von IDL und LDL in die Leber, => Umwandlung von IDL in LDL im Blut, => C-Spiegel im Blut und Auscheidung von C aus dem Körper. (Bild rechts zeigt Extremfall wo LDL-Rezeptoren auf Null zurückgefahren sind, was normaler). "Deficiency" bedeutet KO Maus; apoe "Leiden" und apoe "R142C" sind dominant negative Allele die als Transgen in die Maus eingebracht wurden. "Cholesterol level" = Cholesterol-Spiegel im Serum, wird angegeben in mg/dl. Studien mit Mäusen können Hinweise auf potentielle Gene geben, aber man kann die Verhältnisse bei der Maus nicht einfach auf den Menschen extrapolieren, da grundsätzliche Unterschiede im Lipidmetabolismus zwischen Mensch und Maus bestehen. z.b. Mäuse haben kein CETP, kein Lp(a), wenig LDL etc. Z. B kann man mit KO Mäusen folgende Fragen studieren: Frage: Arteriosklerose geht mit einer Immunantwort einher, da man in arteriosklerotischen Plaques Lymphozyten-Infiltrate und Antikörper gegen oxidierte LDL findet. Ist diese Immunantwort Arteriosklerosefördernd oder ist es eine Schutzreaktion? Antwort: Immundefiziente Mäuse, z.b. MHC-I KO Mäuse, wenn mit C-reicher Nahrung gefüttert, entwickeln viel schlimmere Arteriosklerose als normale Mäuse. Somit: MHC-I abhängige Immunantwort scheint gegen Arteriosklerose zu schützen. Frage: Sind die SR-A Scavenger-Rezeptoren, welche die Endozytose von oxidative geschädigten LDLs in die Makrophagen vermitteln, ursächlich an der Atherosklerose beteiligt? Antwort: SR-A -/- Mäuse (homozygoter SR-A knock out) kriegen, wenn mit Cholesterin gefüttert, wesentlich kleinere atherosklerotische Veränderungen als normale Mäuse. Somit: Die SR-A vermittelte Aufnahme von oxidierten LDLs in die Macrophagen scheint den pathologischen Prozess zu fördern. (Ann N Y Acad Sci May;902:113-26) Interessante Beobachtungen können ebenfalls gemacht werden mit "Doppelmutanten", welche durch Kreutzen zweier mutierter Mausstämme entstehen.

19 Frage: Ist das Einwandern von Makrophagen in die Gefässwand Arteriosklerose-auslösend oder ist es eine Schutzreaktion ohne welche die Arteriosklerose viel schneller fortschreiten würde? Antwort: Kreuzen von apoe KO Mäusen (welche schon bei normaler Diät Arteriosklerose kriegen) mit op Maus, die keinen MCSF (=macrophage colony stimulating factor) macht, somit wenig Monozyten und Macrophagen besitzt. Die apoe -/- op -/- Maus hat viel weniger Arteriosklerose als die apoe -/- Maus, obwohl die erstere 2-3 fach höhere Cholesterin-Werte im Blut hat als letztere. Somit: Makrophagen-Einwanderung in Arterienwand scheint ursächlich an der Entstehung der Arteriosklerose beteiligt zu sein Ausscheidung des Cholesterins aus dem Körper Der hauptsächliche Ausscheidungsweg involviert Aufnahme von IDL und LDL über den LDL-Rezeptor in die Leber, und darauffolgende Umwandlung von Cholesterol zu Gallensäuren, welche über die Galle ausgeschieden werden. Dies erklärt, wieso LDL- Rezeptorendefekte zur Akkumulation von Cholesterin im Körper führen Bilanz: Wieviel Cholesterin wird pro Tag ausgeschieden? Cholesterin-Gehalt der verschiedenen Kompartimente beträgt: Gewebe: 50g, Blut mit Lipoproteinen 5g. Die endogene Synthese beträgt 1.5g/Tag = 1.5g/d. Endogen produziert Aufgenommen Total 1.5g/d 0.2g/d (tierische Nahrungsmittel) 1.7g/d Im Gleichgewicht müssen demgemäss täglich 1.7g ausgeschieden werden. freies Cholesterin 0.6g/d Gallensäuren 1.0g/d Desquamation (Haut) Total Biosynthese von Gallesäuren 0.1g/d 1.7g/d

20 20 Die Leber stellt aus dem aufgenommenen Cholesterin und Oxysterolen Gallensäuren her. Das erste Enzym das auf C einwirkt ist die 7α-Hydroxylase. Cholesterin wird wasserlöslich gemacht indem 1 bis 2 Hydroxylgruppen in Position 7 und 12 eingeführt werden. Ausserdem wird die Seitenkette verkürzt und das endständige C Atom zum Carboxl oxidiert wird. Auch wird die C5-C6 Doppelbindung reduziert. Der Grossteil von Gallensäuren wird an Taurin oder Glyzin gekoppelt. In vielen Geweben werden Oxysterole hergestellt, welche in Leber über alternative Stoffwechselwege zu Gallensäuren verarbeitet werden. In den Geweben machen 24-, 25- und 27- Hydroxylasen C wasserlöslich und damit membrangängig, die so generierten Oxysterole gelangen ins Blut und werden schnell in Leber aufgenommen. Etwa 5-10% der in der Leber gebildeten Gallensäuren stammen aus solchen in den Geweben hergestellten Oxysterolen. Serumkonzentration von Oxysterolen ist ca mal tiefer als die Konzentration von C. Die periphere Oxysterolbildung bildet eine Alternative zum Abtransport von C via ABCA1/HDL. So wird C als 24-OH-C aus dem Hirn abtransportiert. (HDL, die in andern Geweben den Abtransport von Cholesterol durchführen, können die Blut-Hirn-Schranke nicht penetrieren). Auch Makrophagen können mit Hilfe von CYP27 C in 27-OH-C umwandeln und so abgeben. (Menschen mit CYP27- Mangel haben starke Atherosklerose bei normalen Serum-C Konzentartionen). Die 24-, 25- und 27-C (Oxysterole) aktivieren auch Transkriptionsfaktoren und stabilisieren INSIG-SCAP Komplex. Gallensäuren haben Detergenzwirkung. Sie helfen dadurch bei der Fett-Resorption mit, s.o.. Konjugierte Gallensäuren werden von Bakterien hydrolysiert und modifiziert, und werden via Pfortader wieder in die Leber rückresorbiert. Der Totalgehalt des Körpers an Gallensäuren beträgt beim Erwachsenen 3-5g. Jede Gallensäure wird etwa 6-10 mal pro Tag via Galle sekretiert und anschliessend zurückresorbiert. Der Zweck der Uebung ist, dasselbe Detergens-Molekül mehrfach als Fett-Emulgator zu verwenden. Man nennt dies den enterohepatischen Kreislauf der Gallensäuren. Somit werden ca g Gallensäuren pro Tag sekretiert, welche es ermöglichen > 200 g/d Triglyzeride zu hydrolysieren und aufzunehmen. Ca. 1g Gallensäuren pro Tag wird nicht zurückresorbiert und via Fäzes ausgeschieden.

21 Zusammensetzung der Gallenflüssigkeit. Von Hepatozyten sezernierte Galle (Lebergalle) enthält nebst Gallensäuren auch Cholesterin (0.06 % (w/v)), viele Glucuronsäure-, Sulfat-, GSH- und anders gekoppelte Metaboliten und Fremdsubstanzen, Bilirubindiglucuronid, 0.06 % (w/v), Phosphatidylcholin, Enzyme (Phosphatasen), Salze und Mucine. Cholangiozyten, welche die Gallengänge auskleiden, sekretieren nach Stimulation von Sekretin auch HCO 3 -, sodass das ph der Galle bei liegt. Wenn keine intestinalen Hormone die Gallesekretion stimulieren, so wird Lebergalle 5-10 mal konzentriert und in der Gallenblase gespeichert, bis ein intestinaler Reiz die Ausschüttung der Galle stimuliert. Die Konzentrierung der Galle birgt die Gefahr der Gallensteinbildung, da Löslichkeit von C in Wasser relativ gering ist (<4 µg/l). Für Gallensäuren beträgt der Wert 670 g/l. Die Beimischung von Gallensäuren und Phosphatidylcholin (PC) können jedoch eine gewisse Menge von Cholesterin ( C ) in Mizellen solubilisieren und dessen Kristallisation verhindern. Im nebenstehenden Diagramm wird die in konzentrierter Galle vorhandene Menge von Phosphatidylcholin, Cholesterin und Gallensalzen als 100 % gesetzt. Jeder Punkt im Innern des Dreiecks kann mit den drei Seiten über Geraden verbunden werden, welche den Markierungs-Strichen (20, 40, 60% etc.) parallel laufen. Die Schnittstellen mit den drei Seiten geben die Prozentanteile von C, PC und Gallensalzen; die Summe der 3 Werte ist 100%. Nur die Zusammensetzungen, die durch Punkte in der dunkeln Zone unten links charakterisiert sind, sind völlig micellär, sodass C nicht ausfällt und Gallensteine bildet. Genetische Faktoren welche Gallensteinbildung zu fördern scheinen sind: Fehlen von CYP7A1, der 7-Hydroxylase für Gallensäurenbiosynthese, Fehlen von MDR Cholesterol im Hirn Hirn ist das C reichste Organ, Lipide machen 50 % des Trockengewichts aus, 20% des C des Körpers sind im Hirn, v.a. den Myelinscheiden. VLDL und LDL kommen nicht durch BH-Schranke, alles C des Hirns wird im Hirn gemacht. Cholesterol der Myleinscheiden (von Gliazellen gemacht) wird nur sehr langsam ausgetaucht, dasjenige der Neuronen schneller. Pro Tag macht erwachsenes Hirn ca. 12 mg C, ca. 6 mg wird pro Tag von CYP46A1 im ER von Neuronen in 24S-hydroxy-C umgewandelt und sezerniert. 24S-hydroxy-C diffundiert durch BH-Schranke und wird vom Blut, an Lipoproteine gebunden, zur Leber gebracht und dort zu Gallensäuren weiterverarbeitet, sulfatiert oder glucuronidiert. Hirn enthält 100 mal mehr CYP46A1 als Leber, 80% des von Leber ausgeschiedenen 24S-hydroxy-C wird in Hirn gemacht. In CYP46A1 -/- Mäuse bleibt C-Gehalt des Hirns normal, die totale endogene C Synthese im Hirn wird um 30% reduziert => Es bestehen alternative, unbekannte C-Eliminations-Wege im Hirn. CYP46A1 ist scheinbar wichtig für gewisse Neuronen mit hohem C- turnover denn die CYP46A1 -/- Mäuse haben ein Lern- und Gedächtnis-Defizit, aber eine normal Makro- und Mikro-Hirnanatomie. Verlust an Langzeitpotenzierung (LTP), welche bei CYP46A1 -/- Mäusen gemessen wird kann wird durch Gabe von Geranylgeranyl verhindert. Man nimmt somit an, das die Akkumulation of C bei CYP46A1- Mangel die HMG-CoA-Reduktase reprimiert was zum Geranyl-Geranyl- Mangel führt. (Annu. Rev. Biochem : ) In der Leber vorhandene Transporter, welche für die Gallensproduktion von Wichtigkeit sind. (siehe auch Xenobiotica)