Biosynthese von Cholesterin und Gallensäuren

Seminarvortrag von Bettina Riegger

Bedeutung des Cholesterins

• Wichtige “Bausubstanz”

• Hauptrisikofaktor für die Entstehung von Arteriosklerose

• Verursacher enormer Kosten im Gesundheitssystem

• hohes Gewinnpotential für Pharmakonzerne

Lebensnotwendiger Baustein

KrankmachendeSubstanz

Cholesterin

Lipobay (Cerviastatin)

• HMG-CoA-Reduktase-Hemmer (Statin) der Firma Bayer

• Einführung 1997• August 2001 vom Markt

genommen• 52 Todesfälle durch

Rhabdomyolyse mit folgendem Nierenversagen

Cholesterin-Steckbrief

• Eine C27-Verbindung• Acetyl-CoA-Derivat• essentieller

Membranbaustein: verringert Fluidität von Membranen

• Vorstufe von Gallensäuren• Vorstufe von Vitamin D • Vorstufe von

Steroidhormonen

Konrad Bloch Feodor Lynen

• Geboren 21.01.1912

• gestorben Oktober 2002

• Chemiker

• 1964 Nobelpreis für die Aufklärung der Cholesterin-Biosynthese

• Geboren 06.04.1911

• gestorben 1979

• Chemiker

• 1964 Nobelpreis für die Aufklärung der Cholesterin-Biosynthese

Das Prinzip der Cholesterin-Biosynthese

• Findet hauptsächlich in den Hepatozyten, den Zellen der Darmmukosa und in der Haut statt

• Lokalisation: Cytoplasma, endoplasmatisches Retikulum

Cholesterin-Biosynthese 1Bildung von ß-HMG-CoA aus Acetyl-CoA

• Cytosolische Reaktionssequenz

• Ziel: Herstellung aktivierter Isoprenreste, Synthese eines verzweigten C5-Körpers aus Acetyl-CoA

Cholesterin-Biosynthese 2Reduktion von ß-HMG-CoA durch die ß-HMG-CoA-Reduktase

• Geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Cholesterin-Synthese

• Bildung von Mevalonsäure (C6), Verbrauch von 2 mol NADPH

• Reduktion an der Thioester-tragenden Carboxylgruppe

• Nach der HMG-CoA-Reduktase-Reaktion verzweigt sich der Stoffwechselweg

• Möglichkeit, die Synthese aller Produkte zu kontrollieren

Cholesterin-Biosynthese 3Bildung von Isopentenylpyrophosphat (C5) aus Mevalonat (C6)

• Phosphorylierung• Decarboxylierung• aktives Isopren

Cholesterin-Biosynthese 4Isopentenyl-PP (C5) isomerisiert zu Dimethylallyl-PP (C5)

Bildung von Geranyl-PP (C10)

Cholesterin-Biosynthese 5Bildung von Farnesyl-PP (C15)

Kondensation von 2 mol Farnesyl-PP (C15) zu Squalen (C30)

• Polymerisierung von 6 Isoprenresten unter NADPH-Verbrauch: C30-Körper (Squalen)

• zur Erinnerung: Cholesterin ist ein C27-Körper

Cholesterin-Biosynthese 6Squalen-Monooxygenase

Alle folgenden Schritte der Synthese laufen im ER ab!

• Monooxygenase: ein Enzym des ER

• nur ein O-Atom des Sauerstoffs wird auf das Substrat übertragen, das andere wird in Wasser eingebaut

• Monooxygenasen sind auch beteiligt an der

- Synthese von Steroidhormonen und Vitamin D

- Inaktivierung von Steroiden

- Bildung von Gallensäuren aus Cholesterin

Cholesterin-Biosynthese 7Zyklierung des Squalenepoxids zum Lanosterin (C30)

• Ringschluß durch Umklappen der Doppelbindungen

• Umlagerung von Methylgruppen

• Hydroxylierung am C3-Atom

Cholesterin-Biosynthese 8Umwandlung von Lanosterin (C30) in Cholesterin (C27)

• 19 Reaktionen, die durch Enzyme an der Membran des ER katalysiert werden

• Sättigung der Seitenkette

• Umlagerung der Doppelbindung

• Abspaltung von drei Methyl-Gruppen

• Einige dieser Reaktionen benötigen O2 und NADPH.

Seitenwege der Cholesterin-Biosynthese

Zwischenprodukte: • Dolichol (Synthese von

Oligosacchariden bei der Synthese von Glycoproteinen)

• Ubichinon (Atmungskette) • Membrananker (Farnesyl-

und Geranlygruppen)

Regulation der Cholesterin-Biosynthese

• Short-term Regulation (Kurzzeitregulation)

• Long-term Regulation (Langzeitregulation)

• kompetitive Inhibition

HMG-CoA-Reduktase

• cytosolisches Enzym, das durch 7 Transmembranhelices an die Membran des ER gebunden ist

• Schrittmacher-Enzym der Cholesterin-Synthese

• interkonvertierbares Enzym: dephosphorylisierte Form ist aktiver

Short-term Regulation Regulation über Interkonversion

• Dephosphorylisierte Form der HMG-CoA-Reduktase ist aktiver

• Phosphorylisierung über cAMP-abhängige Kinase-Kaskade: damit Inaktivierung

• hormonelle Kontrolle des cAMP-Spiegels:– Glucagon Erhöhung des cAMP-Spiegels

Hemmung der Cholesterin-Synthese

– Insulin Erniedrigung des cAMP-Spiegels Stimulation der Cholesterin-Biosynthese

Long-term RegulationRegulation auf Ebene der Transkription

mRNA

ER Lumen

C N

Vorläufer SRE-BP

N

SRE-BP

Gen mit SRE

Cholesterin

• Promoter mit Sequenz eines “steral regulated element” (SRE)

• Gene für HMG-CoA-Reduktase, HMG-CoA-Synthase, Prenyltransferase und LDL-Rezeptor betroffen: Regulation der Eigensynthese und der Aufnahme über LDL-Rezeptoren

Kompetitive Inhibition• Statine sind kompetitive

Inhibitoren der HMG-CoA-Reduktase mit Srukturähnlichkeiten zum Mevalonat

• Vermehrte Aufnahme von Cholesterin über LDL-Rezeptoren durch SREBP-2

• Angriffspunkt vor der Verzweigung des Stoffwechselwegs, so auch Kontrolle der Seitenwege möglich

Behandlung mit Statinen

Alternative Hemmung der HMG-CoA-Reduktase ohne Statine

• Hemmung durch wäßriger Knoblauch-Extrakt• Hemmung durch Mevalolacton: intramolkularer

Mevalonsäureester, der die HMG-CoA-Reduktase inhibiert, indem es deren Phosphorylisierung stimuliert

• Hemmung durch SRE-Liganden: täuschen Cholesterin-Armut vor, Aufnahme von Cholesterin unabhängig von der intrazellulären Konzentration

Abbau von Cholesterin

• Säugetiere sind nicht in der Lage das Steran-Gerüst abzubauen

• Aussscheidung von Cholesterin vor allem als Cholesterin oder nach Umwandlung in Gallensäuren über die Galle! (etwa 1g pro Tag)

Biosynthese der Gallensäuren

• Synthese in der Leber aus Cholesterin

• Einführung von OH-Gruppen am Steranring: geschwindigkeitsbestimmender Schritt an C7

• Oxidation von C24 zur Carboxylgruppe

• Sättigung der 5,6-Doppelbindung

• Regulation über das Schrittmacherenzym, die Cholesterin 7-alpha- Hydroxylase: potentieller Angriffspunkt für die therapeutische Beeinflussung der Gallensäurensynthese

Konjugation der Gallensäuren

• Aktivierung der primären Gallensäuren durch ATP und CoA

• Konjugation der aktivierten Carboxylseitenkette mit Glycin oder Taurin

Funktion der Gallensäuren

• Emulgatoren: Micellenbildung

• Resorption von Fetten und fettlöslichen Vitaminen

• Endprodukt des Cholesterin-Soffwechsels

• Ausscheidungsmöglichkeit für Cholesterin

Enterohepatischer Kreislauf der Gallensäuren

• Primäre Gallensäuren: Cholsäure, Chenodesoxycholsäure

• sekundäre Gallensäuren: Entstehung unter Einwirkung der Darmflora

• konjugierte Gallensäuren: nach Konjugation mit Taurin bzw. Glycin

• Gallensäuren durchlaufen den Kreislauf 6-10 mal pro Tag

Leber

Vena porta

Darm

Einfluß der Gallensäuren auf die Cholesterin-Biosynthese

• Gallensäuren hemmen die Cholesterin-Biosynthese

• Hemmung der Cholesterinbiosynthese durch orale Zufuhr von freien und konjugierten Gallensäuren in hohen Konzentrationen

• Verminderte Rückresportion der Gallensäuren steigert Cholesterin-Biosynthese in der Leber

• Umwandlung in Gallensäuren stark beschleunigt Cholesterinspiegel im Blut sinkt

Zusammensetzung der Galle

Löslichkeitsdiagramm für Galle

Erhöhte Cholesterinsekretion•erhöhte Synthese•Hemmung der Veresterung

•Verminderte Gallensalzsekretion•Erhöhter Gallensalzverlust

Verminderte Phosphatidylcholin-Synthese

Gallensäuren

Gallensteine