Allgemeine Regulierung des Lipidstoffwechsels. Seminar 2015

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1 Allgemeine Regulierung des Lipidstoffwechsels Seminar 2015

2 Lipidstoffwechsel Verdauung der Lipide Biosynthese von TAG und der komplexen Lipide Mobilisierung von FFS-en Lagerung der FFS-en Biosynthese der FFS-en β-oxidation der FFS-en Biosynthese von Cholesterin Eikosanoiden Ketonkörper

3 Quintessenz der Seminar Regulierung der Fettsäurebiosynthese (ACC) Regulierung der β-oxidation (CAT) Regulierung der Eikosanoiden (Aspirin, Steroiden) Hormonelle Regulierung des Lipidmetabolismus (Insulin, Glucagon, Glucokortikoiden, Adrenalin) Regulierung der Cholesterin-Biosynthese (HMG- CoA-Reduktase, transkriptionelle Regulierung) Regulation der Ketonkörper (Succinyl-CoA) Regulierung des Lipidmetabolismus durch Signalübertragung (AMPK, PPAR)

4 Intrazelluläre Kompartimente des Lipidmetabolismus

5 Stryer,5th ed. 22.2, p.602 Vergleichung der Grundwirkungen der vier Enzymentypen C<14 C16 = Palmitat SACP Palmitate Deacylase (PD) FADH 2 NADPH Enoyl Reductase (ER) H 2 O hydroxyoacyl dehydratase (HD) NADH NADPH ketoacyl reductase (KR) CO 2 ketoacyl synthetase (KS) SACP

6 Biosynthese von Malonyl-CoA

7 Fettsäuresynthese ketoacyl synthetase (KS) ketoacyl reductase (KR) hydroxyoacyl dehydratase (HD) four basic enoyl reductase (ER) Acetyl Carrier Protein (ACP) Malonyl-CoA-ACP acyltransferase (MT) Acetyl-CoA-ACP-acyltransferase (AT) other four Palmitate Deacylase (PD)

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9 Quelle von Acetyl-CoA im Cytosol

10 Quelle von NADPH im Cytosol Cytosolic coenzyme levels in hepatocytes: NADPH/NADP + ~75 NADH/NAD + ~8x10-4

11 Regulation von Acetyl-CoA Carboxylase (ACC) Enzym I. CH 3 -COSCoA acetyl-coa ACC CO 2 -Biotin COO-CH2-COSCoA malonyl-coa Insulin Glucagon ACC is the 2nd lipogenic enzyme regulated by phosphorylation Stryer,5th ed , p.625

12 Regulation von Acetyl-CoA Carboxylase II.

13 Mechanismus von Elongation in Tierischen Zellen CH 3 -(CH2) 14 -CO-SCoA + OOC-CH 2 -CO-SCoA acyl-coa malonyl-acyl-coa CO 2 HSCoA Elongation system located in the ER CH 3 -(CH 2 ) 14 -CO-CH 2 -CO-SCoA H 2 O 2 NADPH2 Reduced to saturated C18 stearic acid via three basic ezymes of fatty acid synthesis Fatty acids are elongated on the head. Elongation system acts on CoA esters rather than on ACP-esters. Elongation system also uses malonyl-coa as acceptor.

14 Mechanismus von Desaturation in Wirbeltieren cis < Δ 10

15 Formation of the most important fatty acids via combination of elongation and desaturation animals can put double bond only before the 10 th C atom advantage of the w system: after elongation the numbering does not turn upside down w 6,9,12 w 6,9,12 w 6,9,12,15 Lehn.,4 th ed p. 797

16 Essenziellen Fettsaeure Quellen Linoleic acid: vegetable oils Alpha-linolenic acid: vegetable oils Arachidonic acid: meat (mainly beef), egg Docosahexaenoic acid: sea food (mainly fish oil)

17 Fettsäuren meist unverzweigte Monocarbonsäuren, die aus einer Kohlenwasserstoffkette bestehen, an deren einem Ende sich eine Carboxygruppe befindet. Unterschieden wird zwischen gesättigten Fettsäuren, in denen keine Doppelbindungen vorkommen, und ungesättigten Fettsäuren, die eine oder mehrere Doppelbindungen besitzen Triacylglycerine bestehen aus Glycerol und drei mit dem Glycerol veresterten Fettsäuren Membranbildende Lipide / Komplexe Lipide: Phospholipide und Glykolipide Komplexe Lipide wie Phospholipide und Glykolipide besitzen durch ihre polare Kopfgruppe und unpolaren Molekülabschnitte einen amphiphilen Charakter In wässrigen Medien bilden sie Mizellen, Lipiddoppelschichten und auch Liposomen, wobei sich die polaren Kopfgruppen immer zum Medium hin orientieren

18 Triacylglycerine Triacylglycerine (Triglyceride, Triacylgycerole, Neutralfette, Fette) sind Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerin (Glycerol, Propan- 1,2,3-triol) und drei langkettigen Carbonsäuren (Fettsäuren) Die ersten Reaktionen der Synthese von Triacylglycerinen (Speicherlipide) und Phospholipiden (Membranlipide) sind identisch Die beiden Ausgangsverbindungen Glycerin und Fettsäuren werden zu Glycerin-3-phosphat und Acyl-CoA aktiviert

19 Der Biosyntheseweg zum Glycerin-3-phosphat Glykolyse Glucose Dihydroxyacetonphosphat Glycerin Glycerin-3-phosphat- Dehydrogenase Muskel, Fettgewebe Glycerin-Kinase Leber, Niere, Darmmukosa L-Glycerin-3-phosphat

20 Der Biosyntheseweg zum Phosphatidat L-Glycerin-3-phosphat Acyl-Transferase Acyl-CoA-Synthetase Acyl-Transferase Acyl-CoA-Synthetase Phosphatidat (Phosphatidsäure)

21 Synthese von Triacylglycerinen (Leber) die die Phosphatgruppe am C3 des Phosphatidats wird von der Phosphatidsäurephosphatase abgespalten, sodass 1,2-Diacylglycerin gebildet wird 2-Monoacylglycerin aus der Nahrung Pro Triacylglycerin werden noch 7 ATP verbraucht

22 Phosphatidat als Vorstufe in Lipid-Biosynthese Die Synthese von Glycerophospholipiden ist in den ersten Schritten mit der Synthese von Triacylglycerinen identisch, bis sich die Wege beim Phosphatidat trennen Phosphatidat 1,2-Diacilglicerol Phosphatidat Phosphatase Befestigung der Kopfgruppe (Serin, Cholin, Ethanolamin usw.) Acyl-Transferase Glycerophospholipid Triacylglycerin

23 Typen von komplexen Lipide éterkötés Etherbindung

24 Komplexe Lipide: Phospholipide und Glykolipide Phospholipide Phospholipide machen den größten Anteil der Membranlipide aus. Man unterteilt sie in Glycerophospholipide und Sphingophospholipide. Komponenten der Glycerophospholipide: Glycerin: ein dreiwertiger Alkohol; bildet den zentralen Baustein zwei Fettsäuren: sind mit den Hydroxygruppen am C1- und C2-Atom des Glycerins verestert; können ungesättigt oder auch gesättigt sein Phosphat: ist mit der Hydroxygruppe am C3 des Glycerins verestert; bildet zusammen mit dem Diacylglycerin Phosphatidat organische Verbindung: ist über eine Esterbindung mit der Phosphatgruppe verknüpft, sodass ein Phosphatid entsteht Gespalten werden Glycerophospholipide von spezifischen Phospholipasen.

25 Abbau der Fettsäuren

26 Spaltungsstelle der Phospholipasen Phospholipase A 1 Phospholipase A 2 Phospholipase C Phospholipasen, Gruppe von Enzymen (Lipasen), durch die Fettsäureester- oder Phosphorsäureestergruppen (Ester) von Phospholipiden hydrolytisch gespalten werden. Phospholipase D

27 Regulation of Eicosanoids Lehn.,4 th ed. p. 888 Steroids Phospholipase A2 Steroids inhibit: Prostaglandins Tromboxans Leukotriens Non-steroids (aspirin, ibuprofen) Non-steroids (aspirin) inhibit: Tromboxans Prostaglandins

28 Spliting sites of phospholipases Lehn.,4 th ed p. 355

29 Phospholipase und Signalübertragung Enzym PLD PLA1 PLA2 PLC Metabolit PA + Choline FA + Lysophospholipid Arachidonate + LPC DAG + IP3 ATX PKC ER Eicosanoids LPA Proliferation Ca 2+ Gerinnung Infektion Krebs

30 Mobilisierung von Fettsäuren Hormon-indzierte Fettsäuremobilisierung in Fettzellen (Adypozyten) Adrenalin Adenylat Zyklase β-adrenerg Rezeptor MAG lipase Hormon-sensitiv lipase Glicerin Fettsäure Fettsäure Fettsäure

31 Metabolismus von Glycerol 1 st step: glycerol is phosphorylated using ATP to yield glycerol-3-phosphate. 2 nd step: the hydroxyl group is oxidized to yield dihydroxyacetone phosphate. H 2 C HC OH OH Glycerol kinase H H 2 C C OH OH Glycerol-3-phosphate dehydrogenase H 2 C C OH O H 2 C OH ATP ADP H 2 C OP NAD + NADH+H + H 2 C OP Glycerol Glycerol-3-phosphate Dihydroxyacetone phosphate

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33 Fettsäure Activierung Allows the fatty acids in the cytosol to enter the mitochondria for oxidation Combines a fatty acid with CoA to yield fatty acyl CoA that combines with carnitine

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35 Carnitine is a quaternary ammonium compound biosynthesized from the amino acids lysine and methionine.

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38 Zyklus Von -Oxidation Länge der Fettsauren: Bestimmt die Nummer von Oxidation und AcCoA Carbons in Acetyl CoA -Oxidation Cycles Fatty Acid (C/2) (C/2 1)

39 Abbau von Ungesättigten Fettsäuren

40 Abbau von poly-ungesättigten Fettsäuren

41 Abbau von Ungeraden Fettsäuren

42 Gemeinsame Regulierung der Abbau und Biosynthese der Fettsäuren

43 Biosynthese von Cholesterin, Steroiden und Isoprenoiden

44 Biosynthese von Cholesterin C2+C2=C4 C4+C2=C6 C6 C6 C6 C6 C6=C5+C1 C5+C5=C10 C10+C5=C15 C15+C15=C30 C30 C27+3C1

45 Cholseterin- oder Ketokörper-Synthese aus HMG-CoA Cholesterin Acetyl-CoA HMG-CoA synthase HMG-CoA Acetoacetyl-CoA Strayer, 5 th ed p.723 Ketonkörper

46 β-hydroxy-β-methylglutaryl-coa Synthase Acetyl-CoA Thiolase Acetoacetyl-CoA HMG-CoA- Synthase β-hydroxy-β-methylglutaryl- CoA (HMG-CoA)

47 Mevalonat Biosynthese β-hydroxy-β-methylglutaryl- CoA (HMG-CoA) HMG-CoA- Reduktase Mevalonat

48 Umsetzung von Mevalonat zu aktivierten Isoprene 5-Pyrophosphomevalonat Mevalonat Pyrophosphomevalonat decarboxylase Mevalonat 5-phosphotransferase 5-Phosphomevalonat phosphomevalonat Kinase 5-Pyrophosphomevalonat Pyrophosphomevalonat decarboxylase aktivierte Izoprene 3-Phospho-5- Pyrophosphomevalonat Δ 3 -Isopentenylpyrophosphat Dimethylallypyrophosphate

49 Squalen Biosynthese I Dimethylallylpyrophosphat Prenyltransferase (Kopf-Schwanz kondensation) Δ 3 -Isopentenylpyrophosphat Geranylpyrophosphat Prenyltransferase (Kopf-Schwanz kondensation) Δ 3 - Isopentenylpyrophosphat Farnesylpyrophosphat

50 Squalen Biosynthese I Farnesylpyrophosphat Squalen-Synthase (Kopf-Kopf kondensation ) Farnesylpyrophosphat Squalen

51 Cholestserin Biosynthese Squalen Cholesterin

52 Cholesterinester Bildung I. Cholesterin Acyl-CoA- Cholesterin Acyltransferase (ACAT) Acil-CoA Cholesterinester

53 Cholesterinester Bildung II. Cholesterin Phosphatidylcholin (Lecithin) Lecithin-Cholesterin- Acyltransferase (LCAT) Cholesterinester Lysolecithin

54 Regulation der Cholesterinsynthese Acetyl-CoA HMG-CoA Insulin HMG-CoA Reduktase Glucagon Cholesterinester LDL-Rezeptor-vermittelte Endocitose Mevalonat Cholesterin (intrazellulär) LDL-Cholesterin (extracellulär) Stimuliert die Proteolyse der HMG-CoA Reduktase X: Oxidiertes Cholesterin, Mevalonat, Farnesol

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57 Regulation der Cholesterinsynthese (transcriptionelle Regulation) Golgi Golgi Zellkern ER translokation transzlokáció Steroide 1. Proteolytische Spaltung 2. Proteolytische Spaltung Transcription von Enzymer der Cholesterinsynthese

58 Im Blut wird Cholesterin an Lipoproteine gebunden Chylomikronen befördern es von den Enterozyten zur Leber, wo es aufgenommen und z.b. für die Synthese von Gallensäuren verwendet wird Der Transport von Cholesterin und Cholesterinestern von der Leber zu extrahepatischen Geweben beginnt mit den VLDL (very low density lipoproteins) Aus diesen entstehen über IDL (intermediate density lipoproteins) die LDL (low density lipoproteins), die von extrahepatischen Geweben über den LDL-Rezeptor aus dem Blut aufgenommen werden In diesen Geweben wird Cholesterin in Membranen eingebaut oder auch in Form von Cholesterinestern gespeichert

59 Im Blut wird Cholesterin an Lipoproteine gebunden Den Rücktransport des Cholesterins aus den extrahepatischen Geweben zur Leber und zu steroidhormonproduzierenden Zellen übernehmen die HDL (high density lipoproteins). Der tägliche Bedarf des Menschen an Cholesterin beträgt ca. 0,5 1,5 g Davon stammen ca. 33 % aus der Nahrung der Rest wird von der endogenen Cholesterinsynthese bereitgestellt

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61 Proben von Blutplasma (Chylomikronen) Blutplasma nach Hungern Blutplasma nach Mahlzeit

62 Serumlipoproteinee

63 Apolipoproteine der Plasmalipoproteine beim Menschen Apolipoprotein Molekulargewicht Lipoprotein- Asszoziátion Funktion (wenn bekannt) ApoA-I HDL Aktiviert LCAT,wechsel-wirkt mit ABC- Transporter ApoA-II HDL ApoA-IV ApoB Chylomikronen, HDL Chylomikronen ApoB VLDL, LDL Bindet an LDL Rezeptor ApoC-I 7000 VLDL, HDL ApoC-II 8837 Chylomikronen, VlDL, HDL Aktiviert Lipoprotein-Lipase ApoC-III 8751 Chylomikronen, VlDL, HDL Hemmt Lipoprotein-Lipase ApoD Apo-E HDL Chylomikronen, VlDL, HDL Löst Abbau von VLDL- und Chylomikron-Restkörper aus

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65 Chylomikron

66 Plasma VLDL Dietary Carbohydrate LIVER glucose pyruvate Acetyl CoA Acetyl CoA mitochondria cholesterol (exogenous) TG B100 Cholesterol (endogenous) FFA FFA TG CE/TG VLDL VLDL

67 Endocytosis of LDL cholesterol

68 Ketonkörper Synthese Rolle in der Körper noch nicht geklärt! In Mitochondrien-in der LEBER, dann ins Blut abgegeben ABBAU: in Mitochondrien aber nicht in der LEBER Dienen in Hungerzeiten als Energiespender (nicht in Leber, RBK)

69 β-hydroxy-β-methylglutaryl-coa Synthase Acetyl-CoA Thiolase Acetoacetyl-CoA HMG-CoA- Synthase β-hydroxy-β-methylglutaryl- CoA (HMG-CoA)

70 Synthese von Acetoacetat HMG-CoA HMG-CoA- Lyase Acetyl-CoA Acetoacetat

71 Ketokörper-Synthese Acetoacetat Acetoacetat- Decarboxylase D-β-Hydroxybutyrat Dehydrogenase Aceton D-β-Hydroxybutyrat

72 Aktivierung von Acetoacetat Acetoacetat β-ketoacyl-coa- Transferase Succinyl-CoA Succinat Acetoacetyl-CoA

73 Aktivierung von Acetoacetat Acetoacetat Succinyl-CoA Succinat

74 Regulation of ketone body synthesis via HMG-CoA synthase Acetoacetyl-CoA Acetyl-CoA HMG-CoA synthase Acetyl-CoA Succinyl-CoA HMG-CoA The liver contains two HMG-CoA synthases, one cytosolic for cholesterol synthesis and an other mitochondrial rate limiting for for ketone body synthesis. The latter undergoes a short term covalent modification via succinylation/desuccinylation of pre-existing enzyme. This presents a rare way of covalent modification of an enzyme.

75 AMP abhängiger Protein Kinase Stress, Muskelarbeit, Fasten Glucose transport Fettsäure oxidation HMG-CoA Reduktase Transcription Acetyl-CoA Carboxylase

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77 Glucose-Fettsäure Zyklus Leber Glucose Glykogen Fettsäuren Insulin Triglyceride Fettgewebe Fettsäure Wenn im Pasma der Glucoseconzentration sinkt (Hunger, Glucagon) von Fettgewebe werden Fettsäuren mobilysiert. Die erhöchte Menge von Fettsäuren in Blut wird die Glucose Verbrauch vermindern. Die erhöchte Blutglukose aber vermindert die Fettsäure-mobilisierung!

78 Stoffwechsel veränderungen in nicht behandelten Diabetes Mellitus Glukosurie Polyurie Dehydratierung Polydypsie Acetonurie Acydose Hyperglycaemie Verminderte Glikolyse Und Glikogen Abbau Hypoinsulinysmus Blockiertes Glucoseaufnahme = Vermehrte Fettsäure-Abbau Ketonkörper Synthese Ketose Zell Vermehrte Protein- Abbau für Glukose Produktion Tod Koma

79 Genetische Erkrankungen in Zusammenhang mit Fettsäureoxidaion Propionil-CoA Propionyl- CoA- Carboxylase Propionämie D-Metilmalonil-CoA Methylmalonyl- CoA-Epimerase Methylmalonyl-urie L-Methylmalonyl-CoA Methilmalonyl- CoA-Mutase Succinyl-CoA

80 Rolle von PPAR PPARα NR1C1 Leber, Herz, Muskel, Nieren PPARβ/δ NR1C2 In alle Gewebe PPARγ NR1C3 Adipozyten, Macrophage n Regulation der Fettsäure Metabolismus HDL-Cholesterin wird in der Leber transportiert Keratinozyten Differentierung, Wungheilung, in Makrophagen mediiert den VLDL Signalweg, Differenzierungfaktor für Muskelzellen Adipozyten Differentierungt, Lipid Speicherung, Glukoce Homeostase

81 Rolle Role von of PPARs in in Lipid lipid Transport transport retrograde Cholesterin Transport Makrophage Artherienwand Muskel anterograde Cholesterin Transzport Fettgewebe

82 Wirkung von Thiazolidin-dione

83 Heterozygous familiäre Hypercholesterinämie Die familiäre Hypercholesterinämie (FH) ist durch angeborene Störungen im Abbau der Lipoproteine niedriger Dichte (LDL) charakterisiert eine angeborene Störung des Lipidstoffwechsels eine ausgeprägte Erhöhung des LDL-( low density -Lipoprotein-) Cholesterins im Plasma von Kindheit frühzeitige Manifestation einer koronaren Herzkrankheit charakterisiert ist Prävalenzrate mindestens 1 : 500 in Deutschland ( häufigste genetische Störung) Behandlung: STATINE HMG-CoA Reduktase Hemmer

84 Wirkungen der Glucocorticoiden auf Glyceroneogenese

85 Effect of Thiazolidinediones on glyceroneogenesis

86 Zusammenfassung Regulierung der Fettsaurebiosynthese (ACC) Regulierung der β-oxidation (CAT) Regulierung der Eikosanoide (Aspirin, Steroiden) Hormonelle Regulierung des Lipidmetabolismus (Insulin, Glucagon, Glucokortikoiden, Adrenalin) Regulierung der Cholesterin-Biosynthese (HMG- CoA-Reduktase, transkriptionelle Regulierung) Regulation der Ketonkörper (Succinyl-CoA) Regulierung des Lipidmetabolismus durch Signalübertragung (AMPK, PPAR)

87 Herstellung von Glycerin-Phosphat

88 Entstehung von Triacylglyceriden und Glycerophospholipiden

89 Regulation der Lipidbiosynthese durch Insulin