10 Stoffwechsel - Jelezarov II

Die Ketogenese (Ketonkörper-Synthese) ist eine hoch spezialisierte metabolische Leistung der Leber, die in einer engen Beziehung zum Fettsäurestoffwechsel steht und in geringem Umfang bei jeder Stoffwechsellage stattfindet. Die Intensität der Ketogenese ist im Allgemeinen von dem Fettsäureangebot im systemischen Umlauf und speziell vom Fettsäureangebot im Hepatocyt abhängig.

Die Synthese von Ketonkörpern bezeichnet man als Ketogenese. Bei Kohlenhydratmangel werden vermehrt Fettsäuren über die beta-Oxidation zu Acetyl-CoA abgebaut. Gleichzeitig entsteht ein Mangel an Oxalacetat, an das Acetyl-CoA normalerweise im Citratzyklus gebunden wird. In der Folge akkumuliert Acetyl-CoA in den Hepatozyten. Dieses dient als Substrat für die Synthese von Ketonkörpern, die im Matrixraum von Mitochondrien abläuft.

Das Fettgewebe einer 70 kg schweren Referenzperson wiegt etwa 15 kg, wovon der grösste Teil auf die Lipide entfällt. Unter den Lipiden des Fettgewebes überwiegen bei weitem die TAGs, die bekanntlich auch ein wichtiger Bestandteil insbesondere der tierischen, aber auch einer ölreichen pflanzlichen Nahrung sind. 

wei Besonderheiten machen die Speicherung dieser beträchtlichen Energiemenge in Form von Triglyceriden möglich:
1. Der Brennwert der Triglyceride ist mit 9.3 kcal g–1 im Vergleich zu anderen oxidierbaren Substraten sehr hoch.
2. Die Speicherung der Lipide beansprucht kein Lösungswasser. Der Vorteil ist ein relativ geringes Speichervolumens.

Die Fettsäuren sind für mehrere Organe die bevorzugte Energiequelle, welche der Glucose vorgezogen wird. Dies gilt v.a. für Skelettmuskulatur, Leber, Herz und Nierenrinde. Das Fettgewebe ist mit Abstand die wichtigste Quelle für die Plasmafettsäuren. 

• Baufettgewebe: Es umhüllt die Organe, um sie in einer bestimmten Lage zu fixieren und sie zugleich als druckelastisches Polstermaterial vor mechanischen Einwirkungen zu schützen. Es bleibt auch bei starkem Gewichtsverlust erhalten.
• Speicherfettgewebe: Es dient der Speicherung von Energie in Form von TAG und wirkt als thermischer Isolator. Es kommt hauptsachlich subkutan vor, wobei seine Verteilung geschlechts- und altersspezifisch ist.

Die Fettzellen (Adipocyten) im weissen Fettgewebe haben einen Diameter von 40 bis 120 μm und besitzen eine sehr grosse Fettvakuole (bis zu 90% des Zellvolumens), die das Cytoplasma und den Zellkern gegen die Plasmamembran des Adipocyten drückt.

Das braune Fettgewebe kommt beim Erwachsenen hauptsachlich in der Halsregion, in der Rückenhaut, in den Achselhöhlen und an den Nierenkappen vor. Beim Neugeborenen ist es viel stärker verbreitet. Hauptaufgabe des braunen Fettgewebes ist die Wärmeproduktion.

Die Zellen des braunen Fettgewebes haben zahlreiche kleinere, fettgefüllte Vakuolen, die ins Cytosol eingestreut sind. Sie haben auffallend viele Mitochondrien, auf welche ihre dunkle Färbung zurückzuführen ist.

Der weitaus grösste Teil von Fettsäuren, der in den Adipocyten als Substrat für die TAGSynthese dient, wird aus dem Blutplasma aufgenommen. Wegen ihrer Hydrophobizität werden die Fettsäuren entweder in der freien Form an Albumin gebunden oder als TAG (esterifiziert) mittels Lipoproteine (v.a. Chylomikronen in der Resorptionsphase und VLDL in der Postresorptionsphase) transportiert.

TAG können nicht in die Zelle aufgenommen werden. Eine vorherige Spaltung wird durch die Lipoprotein-Lipase (LPL) katalysiert.
- Insulin induziert LPL transkriptionell
- Aktivität der LPL wird durch nichtkovalente Interaktionen mit ApoC-II, eine Komponente der Chylomikronen und VLDL, heraufreguliert
- Aktivität der LPL führt zu Hydrolyse von TAG zu freien Fettsäuren und Glycerin.
  => Beide Produkte können nun in den Adipocyt aufgenommen werden

• Fettsäuren-Bindendes-Protein (FABPpm; Fatty-Acid-Binding-Proteinpm). 
• CD36, auch FAT (Fatty-Acid-Tranlocase) genannt. 
• Fettsäure-Acyl-CoA Synthetasen
  •  Zwei verschiedene transmembranale Proteine: FATP (Fatty-Acid-Transport-Protein) und LACS ≡ ACSL (Long-Chain-Acyl-CoA-Synthetase)
• Caveolin-1

1. Aktivierung der Importierten Fettsäuren durch Esterbildung mit CoA (Enzym: Acyl-CoA-Synthetase)
   ->Esterifizierung entzieht Fettsäuren dem beideseitigen Plasmammebran Glgw. -> ermöglicht passive Trnsportmechannismen
2. SChritweise Synthese von TAG;
   an α-Glycerophosphat werden die einzelnen Acly-CoA angeknüpft

Synthetisierte Lipide werden als Lipidtröpfchen im Cytoplasma gespeichert.

• Kern besteht aus TAG und Cholesterinester
  -> im Fettgewbe va TAG
• Kernlipid ist von Cholesterinhaltigen phospholipidschicht umhüllt
  -> daran sind Proteine angelagert: va Perilipin (spielt eine entscheidende Rolle in der Regulation der Lipolyse)

Mangelnde Stoffzufuhr -> Lipolyse
-> TAG in den Lipidtröpfchen werden mobilisiert
  -> Hydrolyse von TAG zu freien Fettsäuren und Glycerin

Drei Enzyme sind an der Lipolyse beteiligt:

• Fettgewebe-Triglycerinlipase (ATGL)
  • Etfernt den ersten Acylrest
  • Geschwindigkeitsbestimmend
• Hormon-sensitive-Lipase (HSL)
  • Hydrolisiert DAG zu MAG
  • (auch TAG zu DAG und MAG zu Fettsäure und Glycerin)
• Monoacylglicerin-Lipase (MGL)
  • Hydrolyse von MAG

Regulation über KAtecholamine
-> kommen via Blut (adrenalin) oder sympathische nervenendigungen (Noradrenalin) ins FEttgewebe
-> Wirkung über AR (Adrenerge Rezeptoren); Typ α oder Typ β
  -> Typ α  -> hemmt adneylylcyklase
  -> Typ β -> aktiviert Adenylylzyklase
  => die Lipolyse auslösende Signalkaskade wird von der Aktivität der Adenylylcyclase bestimmt -> die Aktivierung der Lipolyse steht in Zusammenhang mit der Anzahl und mit dem Sättigungsgrad der verschiedenen Typen von AR. 
-> α2-AR haben eine höhere Affinität für Katecholamine als β1,2-AR. Bei tiefen Konzentrationen der Hormone sind hauptsächlich α-AR gesättigt und die Lipolyse ist unterbunden. Bei andauernden Ausschüttung von Katecholaminen werden allerdings β1-AR und β2-AR gesättigt; ihr aktivierender Effekt auf die Adenylylcyclase wird dominierend. Die Balance der Adenylylcyclase-Aktivität ist der die Lipolyse regulierende Mechanismus.

β-AR führt zu einer Kaskade:

1. Gαs gekoppeltre Rezeptor aktiviert die Adenylylcyclase
   -> ATP zu cAMP
2. cAMP aktiviert PKA
3. PKA phosphoryliert HSL (Hormon-sensitive-Lipase) und Perlipin
   -> höhere aktivität von HSL
4. Lipidtröpfchen wird gestört
   -> bessere zugänglichkeit der TAG für HSL

Wichtigstes Inhibierungssignal: erhöhte Insulinkonzentration
-> Aktivierung von Akt/PKB
  -> PDE-3B -> hydrolisiert cAMP zu AMP
  -> Proteinphosphatasen 2A, 2C,1 -> Dephosphorylierung von HSL und Perlipin
    => Inhibierung der Lipolyse

Die Synthese von Triacylglycerinen und deren Hydrolyse (Lipolyse) bilden einen metabolischen Zyklus: Die Ausgangsstoffe der TAG-Synthese sind Endprodukte der Lipolyse und vice versa.
-> werden reziprok gesteuert

75% aller durch Lipolyse im Fettgewebe aus Triacylglycerinen freigesetzten Fettsäuren werden wieder zu Triacylglycerinen verestert (Reesterifizierung). Nur ungefähr 25% werden als Brennstoff für die Energiegewinnung verwendet.
-> Verhältnis bleibt unter verschiedenen Stoffwechsel-Zuständen konstant

Ein Teil der Reesterifizierung findet in den Adipocyten statt. Der andere Teil der Reesterifizierung findet in der Leber statt, nachdem die Fettsäuren über das Blut in die Leber transportiert wurden: Der systemische Zyklus zwischen Fettgewebe und Leber wird als TAG-Zyklus bezeichnet.
-> Anteile der Reesterifizierung in der Leber (nach Beschreiten des systemischen TAG-Zyklus) und der lokalen Reesterifizierung im Fettgewebe variieren.
-> Durch die gezielte Verschiebung der Reesterifizierung zwischen Leber und Fettgewebe kann die Menge der dem Organismus via Blut zur Verfügung gestellten Fettsäuren reguliert werden. 

Die PEP-Carboxykinase (PEP-CK), ein Schlüsselenzym in beiden Wegen, wird durch Glucocorticoide (v.a Cortisol aus der Nebennierenrinde) transkriptionell reguliert und zwar gegenläufig
-> Expression von PEP-CK in der Leber wird stimuliert; die Expression im Fettgewebe wird reprimiert
  -> Reesterifizierung von Fettsäuren in der Leber erhöht und im Fettgewebe erniedrigt 
    -> Das in der Leber gebildete TAG wird in Lipoproteine eingebaut und in Form von VLDL über das Blut an das Fettgewebe geliefert und dort wieder gespeichert.

Im Allgemeinen ist die de novo Lipogenese (Fettsäure- und TAG-Synthese aus KohlenhydratVorläufer) ausgesprochen begrenzt
-> Fettsäuren werden aus den Serumlipiden gewonnen
-> das für die Veresterung zu TAG notwendige Glycerin-3-phosphat ist zum grössten Teil ein Produkt der Glyceroneogenese.

Trotzdem verwendet das Fettgewebe Glucose zur TAG Biosynthese in seltenen Stoffwechselsituationen. Folgender MEchanismus:

1. Abbau der Glcose zu Pyruvat
2. Decarboxylierung zu Acetyl-CoA
3. Acetyl-CoA asl Substrat zur Fettsäuresynthese

Messungen beim Menschen haben ergeben, dass unter physiologischen Bedingungen weder in der Leber noch im Fettgewebe eine nennenswerte de novo Lipogenese nachweisbar ist. Dies ändert sich erst, wenn extrem kohlehydratreiche Nahrung zugeführt wird. 
-> Mit der Nahrung aufgenommene mehrfachungesättigten Fettsäuren unterdrücken die Expression mehrerer Enzyme der de novo-Lipogenese

hersberger (?)

Histologisch ist das Leberläppchen die anatomische Grundeinheit der Leber. Das Leberläppchen ist polygonal (sechseckig) und von wenig Bindegewebe umgeben (Abb. 1-3).

Dieses verdichtet sich in den Ecken und bildet die sog. Periportalfelder,darin hat es:
- ein feiner Ast der Pfortader (V. porta),
- ein Ast der Leberarterie (A. hepatica)
- ein kleiner ableitender Gallengang verlaufen.
=> Dieses Versorgungssystem bezeichnet man auch als Triade
  -> Hier kommt es zur Vermischung der beiden zuvor getrennten Blutströme.

Das Mischblut fliesst vom Peroportalfeld weiter auf vorgegebenen Wegen in die Mitte des Leberläppchen. Diese Wege werden Sinusoide genannt.

Der Leberazinus ist die funktionelle Einheit der Leber

die Form eines Rhombus, bei dem die Ecken jeweils von zwei gegenüberliegenden Zentralvenen und 2 gegenüberliegenden periportalen Feldern gebildet werden

einem Leberazinus sind Teile von 2 benachbarten klassischen Läppchen beteiligt.

sB

1. Kupferlzellen
2. Sternzellen
3. Disé-Raum
4. Hepatozyt
5. Lymphozyt
6. Endothelzellen
7. Gallenacinus

Die Zellen der Zone 1 (Abb. 1-3) sind mit Sauerstoff reichlich versorgt und auf Sauerstoff verbrauchende Stoffwechselfunktionen spezialisiert. Hingegen sind die Zellen der Zone 3 mit Enzymen für anaerob verlaufende Prozesse ausgestattet, da der Sauerstoffgehalt vom Periportalfeld (Triade) zur Zentralvene abnimmt. Die Zellen der Zone 2 im Azinus (Abb. 1-3) haben gemischte Funktionen.

1. 1. Dephosphorylierung zu Glucose. Die Glucose wird ans Blut abgegeben. Das ist der Hauptweg, wenn die Konzentration von Glucose-6-phosphat niedrig ist. In der postresorptiven Phase, wenn keine Glucose aus dem Darm aufgenommen wird, liefert die Leber Glucose an das Blut. Diese stammt primär aus dem Glykogen und sekundär aus der Gluconeogenese.
2. 2. Speicherung von Glucose durch Synthese von Gly cogen. Ein beträchtlicher Teil der im Darm nach einer Mahlzeit aufgenommenen Glucose wird in der Leber in Form von Glykogen gespeichert. Die Glycogensynthese wird durch Insulin positiv reguliert.
3. 3. Nach Glykolyse und oxidativer Decarboxylierung durch Pyruvat-Dehydrogenase kann das gebildete Acetyl-CoA mit Oxalacetat zu Citrat kondensiert und im Citratzyklus oxidiert werden. Die entzogenen Elektronen treten in die Atmungskette ein; Energie in Form von ATP wird gewonnen durch oxidative Phosphorylierung. Allerdings sind Fettsäuren unter normalen Zuständen die bevorzugte Energiequelle im Hepatocyt!
4. 4. Überführung von Glucose via Acetyl-CoA in Fettsäuren. Sie werden in Triacylglycerin und Phospholipide eingebaut, die entweder gespeichert oder (grösstenteils) durch Lipoproteine zu anderen Geweben transportiert werden. Acetyl-CoA ist auch Vorstufe für die Synthese von Cholesterin.
5. 5. Glucose-6-phosphat kann auch in den Pentosephosphatweg metabolisiert werden. Es entstehen NADPred (Reduktionspotential für Biosynthesen (z.B. Fettsäure-Biosynthese) und Cofaktor in Biotransformationsreaktionen) und Ribose-5-phosphat (Vorstufe der Nucleotidbiosynthese).

Glycerin
Das beim Abbau von Triglyceriden entstehende Glycerin kann in der Leber durch Mitwirkung des Enzyms Glycerokinase über das Zwischenprodukt αGlycerophosphat in Dihydroxyacetonphosphat überführt werden. Dihydroxyacetonphosphat wird mit Glycerinaldehyd-3-phosphat durch die Aldolase zu Fructose-1,6-bisphosphat kondensiert, welches zu Glucose führt.
Aminosäuren
Glucoplastische Aminosäuren liefern bei ihrem Abbau Pyruvat bzw. andere Zwischenprodukte des Citratzyklus. Aminosäuren werden im Hungerzustand insbesondere beim Abbau von Proteinen in der Skelettmuskulatur freigesetzt.
Lactat
Stammt aus anaerober Glykolyse, v.a. in der Skelettmuskulatur. Im Rahmen des Cori-Zyklus wird das bei anaerobem Stoffwechsel entstehende Lactat zur Neusynthese herangezogen.

• 1. Die Leber zeichnet sich mit einer intensiven Proteinbiosynthese aus. Ein Teil der synthetisierten Proteine verbleibt im Hepatocyt (Strukturproteine, Enzyme). Andere sind für den Export vorgesehen. Alle Proteine des Blutplasmas, mit Ausnahme der γ-Globuline, gehören dazu.
• 2. Die Leber exportiert auch freie Aminosäuren ins Blut, die für die Proteinsynthese in anderen Geweben eingesetzt werden.
• 3. Aminosäuren sind Vorstufen der Synthese von Nucleotiden, Porphyrinen, Hormonen und N-haltigen Verbindungen.
• 4. Aminosäuren, die nach Deckung des Bedarfs an Vorstufen für Synthesen übrigbleiben, werden zu Pyruvat und/oder zu Metaboliten des Citratzyklus transaminiert oder desaminiert (4a). Abgespaltete Aminogruppen (in Form von Ammoniak) werden als Harnstoff ausgeschieden (4b).
• 5-9. Pyruvat kann für die Neusynthese von Glucose und Glykogenaufbau (im Hepatocyt oder nach dem Export über das Blut im Muskel) verwendet werden (5). Oxidative Decarboxylierung durch Pyruvat-Dehydrogenase liefert Acetyl-CoA (6), welches unterschiedliche Wege eintreten kann. Energie in Form von ATP wird durch Oxidation im Citratzyklus (7) und oxidative Phosphorylierung (8) gewonnen. Acetyl-CoA wird auch zur Synthese von Lipiden verwendet (9). Gleichzeitig ist Acetyl-CoA ein starker allosterischer Aktivator der Pyruvat-Carboxylase und fördert damit die Gluconeogenese (schwarzer Pfeil).
• 10. Zwischenmetabolite des Citratzyklus sind Vorstufen für Glucose- und Glykogensynthese (über Gluconeogenese).
• 11. Eine spezielle Funktion der Leber besteht darin, die aus extrahepatischen Geweben abstammenden Aminosäuren zu metabolisieren und damit Schwankungen des Glucoseblutspiegels zu puffern. Hierfür ist der AlaninGlucose Zyklus von Bedeutung. In der Postresorptionsphase, besonders wenn sie länger andauert, werden z. T. Proteine des Muskels abgebaut. Freigesetzte Aminosäuren übertragen durch Transaminierung ihre Aminogruppe an Pyruvat. Das gebildete Alanin wird über die Blutbahn in die Leber transportiert. Desaminierung des aufgenommenen Alanins im Hepatocyt liefert Pyruvat, welches über die Gluconeogenese für die Aufrechterhaltung der Blutglucosekonzentration metabolisiert wird (5).

Synthese von Ketonkörper
Synthese von Gallensäuren als Cholesterin-Derivate
Synthese der meisten Lipoproteine

• 1. Synthese von Leberlipiden.
• 2. Unter den meisten Bedingungen sind Fettsäuren wichtigster Stoff für die oxidative Verbrennung über β-Oxidation.
• 3.- 6. Der Acetyl-CoA-Pool kann je nach vorherrschender Stoffwechselsituation in verschiedenen Prozessen metabolisiert werden: Energieproduktion über den Citratzyklus (3) und oxidative Phosphorylierung (4), Synthese und Export von Ketonkörpern (5), Synthese von Cholesterin und Gallensäuren (6) oder denovo Lipogenese (dnL). Die Leber kann auch Cholesterin aus dem extrahepatischen Metabolismus aufnehmen.
• 7.- 8. Nach Deckung des Bedarfs an Brennstoff und an Material für den Aufbau lebereigener Lipide übriggebliebene Fettsäuren werden aus dem Hepatocyt exportiert. TAGs werden in VLDL verpackt. Freie Fettsäuren werden mittels Albumin transportiert.

Fettsäuretransport wird mittels Albumin bewerkstelligt

Die Synthese von Albumin geschieht ausschliesslich in der Leber mit einer durchschnittlichen Syntheserate von 0. 2 g Albumin pro kg Körpergewicht und Tag (ca. 10-15g). Im rauen endoplasmatischen Retikulum wird das im Hepatocyt produzierte Präproalbumin proteolytisch zu Proalbumin gespalten. Letzteres wird im GolgiApparat durch weitere Abspaltungen zum ausgereiften Albumin umgewandelt und in den Dissé-Raum freigesetzt.

Es können drei bis zehn Fettsäuren gleichzeitig an ein Albumin-Molekül binden.
Die Bindung an und Freisetzung von Albumin geschieht konzentrationsbedingt, d.h. ohne spezielle Mechanismen. 

Diese Proteine sind in verschiedenen Kombinationen am Transport von exogenen und endogenen Lipiden beteiligt.

• Chylomikronen-Stoffwechsel (exogener Lipidtransport; Transport von Nahrungslipiden)
• VLDL/LDL-Stoffwechsel (endogener Lipidtransport; Transport von in der Leber gebildeten Lipiden zu den extrahepathischen Geweben)
• HDL-Stoffwechsel (reverser Cholesterintransport aus den extrahepatischen Geweben zur Leber)

-> dei 3 Wege verlaufen nich völlig unabhängig voneinander

Unter einem Chylomikron versteht man ein Lipoprotein, das dem Transport von mit der Nahrung aufgenommenen Triacylglyceriden, Phospholipiden und Cholesterin vom Darm zur Leber dient.

Chylomikronen (CM) werden aus der Epithelzellen der Darmmukosa in die Lymphe sezerniert.

CM sind reich an TAGs und Phospholipiden und enthalten wenig Cholesterin.
- Nach der Passage über den Ductus thoracicus werden CM im Blut mit ApoE und ApoC sowie Cholesterylestern angereichert, die von den zirkulierenden HDL stammen.

In den Kapillaren des Fettgewebes sowie des Skelett- und Herzmuskels werden TAGs durch die Lipoproteinlipase (LPL) abgebaut und deren Produkte in die Adypocyten und Myocyten importiert. Die CM werden dadurch instabil und zerfallen in sog. Remnants (Überrest, Überbleibsel)
- Oberflächen-Remnants fusionieren mit kleineren HDL-Partikeln zu grösseren HDL-Partikeln. Core-Remnants, die reich an ApoB-48, ApoE und Cholesterylester sind, werden in der Leber über Mitglieder der LDL-Rezeptor-Genfamile (Chylomikronen-Remnant-Rezeptor) auf den Hepatocyten erkannt und internalisiert.

VLDL-Partikel transportieren endogene, in der Leber produzierte oder akkumulierte Lipide zu der Peripherie.

Die wachsende Polypeptidkette wird im ER-Lumen co-translationell schrittweise mit Lipiden beladen.
+das mikrosomale Transferprotein (MTP) ist ein entscheidender Faktor für die Reifung und für die korrekte Beladung des VLDL-Partikels mit Lipiden.

In der Blutzirkulation werden VLDLs mit Cholesterylestern aus den HDL angereichert. 

extrahepatisch (v.a. im Fettgewebe und Muskel) werden VLDL durch die Aktivität der LPL (TAG-Hydrolyse) kontinuierlich degradiert. Die entstehenden VLDL-Remnants, die analog zu den CM-CoreRemnants sind, werden als IDL bezeichnet.