Hanni Kirchner, Julia Mühlhäußer Fachliche Unterstützung: Dipl.-lng. Sirnone Höge
BASICS Biochemie
ELSEVIER URßA N& FISCti ER
URBAN & FISCHER München
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Alle Rechte vorbehalten l . Auflage 2009 © Elsevier GmbH, München Der Urban & Fischer Verlag ist ein lmprint der Elsevier GmbH.
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Aktuelle Informationen finden Sie im Internet unter www.elsevie r.de und www.elsevie r.com
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Vorw ort Biochemie - der Albtraum vieler Medizinstudenten. Einst auch unser eigener. Aber irgendwie haben wir auch diese Hürde gemeistert. Nur schade, dass es damals noch nicht die BASICS-Reihe von Elsevier gegeben hat. So mussten wir uns durch einen Berg dicker und unübersichtlicher BiochemieBücher und -Skripte kämpfen und haben letztlich die Klausur irgendwie geschafft. An diese Zeit mussten wir denken, als wir vor der Entschei dung standen, ob wir uns an das schwierige Thema Biochemie heranwagen sollten. Wichtig war uns dabei, die relevanten Grundlagen verständlich, übersichtlich und anschaulich darzustellen. Wir hoffen, dass uns dies auch gelungen ist. Wir haben versucht, alle für Mediziner wichtigen Themenbereiche der Biochemie abzudecken. Das ist bei einem so kurzen Lehrbuch nicht so ausführlich möglich, wie in einem Sta ndardlehrbuch, aber es hilft sicher, sich über das Wichtigste einen guten Überblick zu verschaffen und vor der Klausur alles noch einmal zu wiederholen. Bedanken möchten wir uns bei Karolin Dospil, Bettina Meschede, Christina Nussbaum und Julia Bender vom Elsevier Urban & Fischer Verlag für die tatkräftige Unterstützung und vor allem für ihre Geduld mit uns. Danke auch an
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Sirnone Hoege für die fachliche Beratung und ebenfalls für ihre Geduld_ Außerdem möchten wir uns bei unseren Familien und Freunden bedanken, die immer ein offenes Ohr für unser Gejammer hatten oder uns beim Korrigieren unserer Kapitel geholfen haben - Tobias Benthaus , Veronika Daiminger, Corina Epp, Susanne Fröhlich, Nina Gaus, Metanie Grimm, Marina und Melanie Kofler, Julia Krabbes, Matthias Krieg, Stefanie Passarge, Denise Sinnemann und natürlich allen anderen, die wir aus Platzgründen nicht mehr erwähnen können. Ich, Julia, möchte mich außerdem bei Hanni bedanken. Einfach dafür, dass sie so ist wie sie ist und hoffentlich auch so bleibt und dass sie die Idee hatte, das Buch zu schreiben. Ich, Hanni, möchte mich außerdem bei]ulia bedanken. Dafür, dass sie so eine gute Freundin ist und man mit ihr so viel Spaß haben kann (auch, wenn man gerade ein Buch schreibt). Wir wünschen unseren Lesern (den Umständen entsprechend) viel Spaß beim Lesen dieses Buches und viel Glück in der Biochemie-Klausur.
München, im Mai 2009 Hanni Kirchner und Julia Mühlhäußer
Inhalt A Allgemeiner Teil . ... . .. . . ..... ..... .
Grundlagen . . . . . . .... . .. . . .. . . . . . . . . . . I I I 1 I I I I I I
Zytologie I .. . . .. .. . .. . . . .. .. .. . .. ... . . . Zytologie JI . ... ..... . .. . . ...... ... . .. . . Chemische Grundlagen I . . .. .. .. . . . . . . ... . Chemische Grundlagen II . . . .. . . .. ... . ... . Enzyme . . . .. .. . . ... . . . . .. . . . . . ... ... . Enzymfunktion und -k.inetik .... . .. .. . .... . Prinzipien der Stoffwechselregulation . . ... .. . Vitamine I .. .. . ..... . . . . . . . . . .. . . . .. .. . Vitamine II ..... .... .... . . . . .... . . . . . . . Säure-Basen-Haushalt .. . . . .. .. .... .. . .. . .
Energiegewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76 - 7 9
I Pyruva t-Dehydrogenase-ReakUon _ 2 21 und Citra tzykl us . . ... . . . .. . . . . . . . . .. . . . . 2 1 Atm ungskette und ATP-Syn ~ ese .. . . .. ... . . . 4
76
6 Hormone und Zytokine ... . . .. . ..... . . . .
80 - 99
2- 21
~
1 12 14 16 18 20
B Spezieller Tei I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 - 135
Aminosäuren und Proteine . ... .. . .. .. .. .
24 - 3 1
I Aminosäuren . . .. ...... . . . . .. . . . . .. . . . . I Peptide und Proteine . . . .. . . . . . . .. . . . .... . I Am inosäure- und Proteinmetabolismus I ... .. . I Aminosäure- und Proteinmetabolis mus II . . ... .
24 26 28 30
Genetik .. .. . . . . . ... ... . . .. . . ..... . .. . .
32 - 5 1
I Stoffwechsel der Nukleotide I ...... . . .. ... . I Stoffwechsel der Nukleotide li .. .. .. ... . ... . 1 Nukleinsäuren, Desoxyribonukleinsäure (DNA) 1 Replikation der DNA . . .. . . ... . . .. . . . . ... . 1 Transkription . . . . ..... . . .. .. . . . . . . . . .. . I Translation ........ . ... .. . .. . . .. . .. . . . . 1 Prozessierung und Zielsteueru ng von Proteinen 1 Regulation von Zellwachstum und Genexpression 1 DNA-Schäden, Reparatur und Onkogenese . . . . 1 Gentechnologie .... . ... .. ... . . .... ... . . .
32 34
36 38 40 42 44
46 48
so
Kohlenhydratstoffwechsel ...... .... . . . .
52 - 61
I Kohlenhydrate . .. . . .. . . . . . . . .. ... .. . .. . I Glykolyse ..... . . . . ..... . ..... . . .. . . .. . I Glukoneogenese . .. .. . ... . .. .. ... . . . .. . . 1 Glykogenstoffwechsel . . . . ... . . . . .... .. .. . I Pentosephosphatweg . . . . .. . . . . - . . . - . · · · · ·
52 54 56 58 60
Lipidstoffwechsel . . . ..... . . . . . ... . . . . . .
62 - 75
I Fettsäuren und Lipid e I . . ..... . .. . . .. . . .. . 1 Fettsäuren und Lipide II .. . .. . ..... . . 1 Biosynthese der Fettsäuren und Triacylglycerine 1 Abbau der Neutral fette und Fettsäuren . . . . .. . I Ketonkörper . . . .. .. .. ..... . .. . .. . ..... . I Cholesterin .... . . . ... .. . . . . . . .. . . .. . . . . I Lipoproteine ..... . .. . . ... . ... . . .. . ... . .
62
1 1 I I 1 1 1 1 1 I
Grundlagen der in terzellulären Kommunikation Hypothalamus-hypophysäres System . . . . .. . . . Schilddrüsenhorm one . . . . ..... . . . . ... . .. . Regulation des Kalzium· und Phosphathaushal ts Hormone des Nebennierenmarks: Adrenalin und Noradrenalin .... .. . . . . . . . . . Hormone der Nebennierenrind e . ... . .. .. .. . Hormone der Nebennierenrind e II . . . . .. .. . . . Hormone der Bauchspeicheldrü se I ... .. . . . . . Hormone der Bauchspeicheldrüse I I .... . ... . Eicosanoide und Zytok.ine .... .. .. . .. . . . . . .
78
80 82 84 86 88 90 92 94
96 98
Immunsystem . . . . .. . .. ... . . .... . . . . . . . 100 - 111
I Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Zellen des Immunsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Humorale Abwehr I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Humorale Ab wehr II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I Antigene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Rolle des Immu nsystems in der Klini k . . . . . . . .
100 102 I 04 I 06 108 I 10
Blut . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . ..... . . . .... . . 112 - 121 1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Hämoglobin I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I Hämoglobin II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I Eryth rozyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I Blutstil lung und Geri nnung . . . . . . . . . . . . . . . .
112 I 14 I 16 I 18 120
Spezielle Biochemie der verschiedenen Organe .. . .. . . . .. .. . . . . . 122 - 135 I Leber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I Niere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I Verd auungsorgane I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Verdauungsorgane II . . . .. . . .. . .. .. . . · . . . . 1 Das Muskelgewebe . . . . . . . . . . . . . . . .. · · · . · 1 Das Nervensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Das Bind e· und Stü tzgewebe . . . . . . . . . . . . . . .
I 22 124 126 I 28 130 132 134
64 C Versuche ...... .. .. .. .... .. .. .... .. . 138 - 145 66 68 70 72 74
I Versuch I 1 Versuch 2 1 Versuch 3 1 Versuch 4
. ....................... ..... ........................ ..... . .. . ..... .. .. .. ....... . - . . . . . ............. ........... .....
138 140 142 I 44
D Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 - I SO
Abkürzungsverzeichnis A
Abb. ACAT ACE ACP ACTH ADH ADP AGS ALAT ALS AMP ANP APC APRT ASAT ATP
Abbildung Acyi-CoA-Cholesterol-Acyl-Transferase Angiotens in-Converting-Enzym Acyl-Carr ier-Protein adrenokortikotropes Hormon Alkohol-Dehydrogenase, Anti-Diuretisches Hormon Adenosindiphosphat Adrenogenitales Syndrom Alanin-Aminotransferase Aminolävulinsäure Adenosinmonophosphat atriales natriuretisches Peptid Antigen-präsentierende Zelle Adenin-Phosphoribosyltransferase Aspartat-Am in otransferase Adenosintriphosphat
B BCR BPG bzw.
B-Zeli-Antigenrezeptor Bisphosphoglycerat beziehungsweise
c
c oc c Ca ca. cAMP CD Cdk cGMP CK Cl Co CO C02
CoA
COMT COPD
cox CRH CRP
Kohlenstoff °Celcius Konzentration Kalzium circa cyclo-AMP cluster of differentiation Cyclin dependent kinase = Cyclin-abhängige Kinase cyclo-GMP Creatin-Kinase Chlor Cobalt Kohlenmonoxid Kohlendioxid Coenzym A Catechol-0-Methyl-Transferase Chronisch obstruktive Lungenerkrankung Cyclooxygenase Kortikotropin-releasing Hormone (-reaktives Protein
D
d d.h. Da DAG DAP dATP dCTP dGTP DIT dl DNA dTTP
Schichtdicke das heißt Dalton Diacylglycerol Dihydroxyacetonphosphat desoxy-Adenosintrisphosphat desoxy-Cytidintrisphosphat desoxy-Guanosintrisphosphat Diiodtyros in Deziliter Desoxyribonukleinacid (Desoxyribonukleinsäure) desoxy-Thymidi ntrisphosphat
VI lVII E
E eEKG ELISA EPO ER etc.
Extinktion Elektron Elektrokardiogramm Enzyme Linked lmmunosorbent Assay Eryhropoetin endoplasmatisches Retikulum et cetera
F
FAD Fe FMN FSH
Flavinadenindinukleotid Eisen Flavinmononukleotid Follikel-stimulierendes Hormon
G
g G-Protein G6PDH GABA Ga! GAP GDP GFR ggf.
GH GLDH GLP GLUT GMP GnRH GOT GPT Grb GTP
Gramm Guaninnukleotid-bindendes Protein Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase gamma-Aminobutyrat Galaktose GTPase aktivierendes Protein, Glycerinaldehyd-3-Phosphat Guanosindiphosphat glomeruläre Filtrationsrate gegebenenfalls Growth Hormone Glutamatdehydrogenase Glucagon -Like-Peptide Glukosetransporter Guanosinmonophosphat Gonadotropin-releasing Hormone Glutamat-Oxalacetat-Transaminase Glutamat-Pyruvat-Transaminase Growth factor bound Guanosin trisphosphat
H H
H2C03 H20 H20 2 H2P04Hb HbA Hb F Hb0 2 HbS HCI HC03HDL He HGPRT HIV HLA HMG-CoA HMV HPOi Hsp HWZ
Wasserstoff Kohlensäure Wasser Wasserstoffperoxid Dihydrogenphosphat Hämoglobin adultes Hämoglobin fetales Hämoglobin Oxyhämoglobin Sichelzellhämoglobin Salzsäure Bicarbonat High Density Lipoprotein Helium Hypoxanthin -Guanin-Phosphoribosyl transferase humanes lmmundefizienz-Virus humane lymphocyte/ leukocyte antigene Hydroxy-Methyl-Glutaryl-CoA Herzminutenvolumen Hydrogenphosphat HitzeschockproteiD Halbwerts zeit
Abkürzungsverzeichnis I
I I IDL JFN Ig IGF IL IMP INR IP3 IRS
Intensität Iod Intermed iate Density Lipoprotein Interferon Immunglobulin Insuline like growth fac tor Interleukin Inositolmonophosphat International Normalized Ratio Inositoltrisphosphat Insulin-Rezeptor-Substrate
J
JAK-Kinase Janus- Kinase
K K
Kap. kcal kg k]
KM
Kalium Kapitel Kilokalorien Kilogramm kJoule Michaeliskonstante
L
LCAT LDH LDL lg LH LPL M m M. MAC MAO ME LAS
MEOS mg Mg MHC MIT Mmol Mn MPS mRNA Ms MSH mtDNA
Leci thin-Cholesterin-Acyl-Transferase Laktat-Dehydrogenase Low Density Lipoprotein Logarithmus luteinisierendes Hormon Lipoproteinlipase
02
Stickstoff Natrium Kochsalz Nikotin-(säure )am id -ad enin -dinukleotid Nikotinsäureamid-adenin-dinukleo tid-phosphat N-Acetyl-Galaklosamin Natronlauge
Sauerstoff
p
PAF PALP PAPS PC PCR PDH PFK PC PIP3 PKU POMC PRPP PTH
platelet activation factor Pyridoxalphosphat 3-Phosphoa denosi n-5- Phosphosul fa t Pyru vatcarboxylase Polymerase chain reaction = Polymerase- Kettenrea ktion Pyruvat-Dehydrogenase Phosphofruktoki nase Prostagland in Phosphatidyl-lnositol-Trisphosphat Phenyl ketonurie Proopiomelanokorti n Phosp horibosylpyrophosphat Parathormo n
Q
0 OH2
Ubi chinon Ubi ch inol
R Rb
Meter Morbus, Musculus Membranangriffskomplex Monoaminooxidase mitochondriale Encephalomyopathie, Laktatazidose und Schlaganfall mikrosomales ethanoloxidierendes System Milligramm Magnesium major histocompatibility complex Monoiodtyrosin Millimol Mangan mononukleäres Phagozytensystem messenger RNA Millisekunde melanozytenstimulierendes Hormon mitochondriale DNA
natürliche Killerzellen Nuclear Localisation Signal Nanometer Nebennierenrinde non-steroid al anti-inflammatory drugs nichtsteroidale Antirheumatika
0
RAAS
N
N Na Na Cl NAD NADP NAGA NaOH
NK-Zellen NLS nm NNR NSAID NSA R
RE rER RES RH Rh RlA RNA RO rRNA
Renin-Angiotensin-Aldosteron-System Retinablastom Restriktionsendonukleasen raues endoplasmatisches Retikulum retikuloendotheliales System Releasi ng Hormone Rhesus Radioimmunassay Ribon ukleinacid (Ribonukleinsäure) respiratorisc her Quotient ribosomale RNA
s
s s.
s. a. s.o. s. u. SAM sog. Sos Stat STH
Schwefel siehe siehe auch siehe oben siehe unten S-Adenosylm ethionin sogenannte/ r Son of sevenless Signal transducer and activator of transc ription somatolrop es Hormon/ Somatotropin
T
T t-PA T3 T4
Transmission tissu -Plasminoge na ktivator Triiodthyronin Tetraiodthyronin = Thyroxin
Ab kü rzu ngsve rze ich n i sjQu e llenve rzeichn i s
;
VIII IIX Tab. TAG TBG TCR THB THF TMP TNF TPP TRH tRNA TSH TX
Tabelle Triacytglyceride Thyroxin bindendes Globulin T-Zeli·Antigenrezeptor Tetrahydrobiopterin Tetrahydrofolsäure Thymidinmonophosphat Tumor-Nekrose-Faktor Thiaminpyrophosphat Thyreotropin·reteasing Hormone transfer RNA Thyreoidea -stimulierendes Hormon Thromboxan
u-PA u.a. u.v.m. UDP UMP usw. UTP
uv
Volt Vena vor allem Vitamin Very Low Density Lipoprotein katalytische Kapazität versus
w
wz
Wechselzahl
X
XMP
Xanthinmonophosphat
z
u
u
V
V V. v.a. Vit. VLDL Vmax vs.
Unit Urokinase· Plasminogenaktiva tor unter anderem und viele mehr Uridindiphosphat Uridinmonophosphat und so weiter Uridintrispho sphat ultraviolett
z. T. z.B. Zn ZNS
zum Teil zum Beispiel Zink zentrales Nervensystem
Funktionelle Gruppen:
-COOH ·NH 2 -OH .p
Carboxylgruppe Aminogruppe Hydroxygruppe ·Phosphat
Quellenv erzeichni s
[I] Braun, T./Röhler gen. Riemer, A./Weber, F.: Kurzlehr· buch Physiologie. München, Elsevier Urban & Fischer, 1. Auflage, 2006 [2) Dettmer, U./Folkerts, M./Kächler, E./Sönnichsen, A.: Intensivkurs Biochemie. München, Elsevier Urban & Fischer, 1. Auflage, 2005 [3] Gagiannis, D.: Biochemie in Frage und Antwort: Fragen und Fallgeschichten zur Vorbereitung auf mündliche Prüfungen während des Semesters und Examen. München, Elsevier Urban & Fischer, 2. Auflage, 2006 [4) Golenhofen, K.: Basislehrbuch Physiologie: Lehrbuch, Kompendium, Fragen und Antworten. München, Elsevier Urban & Fischer, 4. Auflage, 2006 [5] Horn, F. / Moc, 1./Schneider, N./Grillhösl , C./Berghold, S./Lindenmeier, G.: Biochemie des Menschen: Das Lehrbuch für das Medizinstudium . Stuttgart, Thieme, 3. Auflage, 2005 [6] Kremer, A.: Crashkurs Biochemie: Repetitorium mit Einarbeitung der wichtigsten Prüfungsfakten. München, Elsevier Urban & Fischer, I. Auflage, 2005 [7] Kreutzig, T.: Kurzlehrbuch Biochemie. München, Elsevier Urban & Fischer, 12. Auflage, 2006 [8) Löffler, G.: Basiswissen Biochemie: mit Pathobiochemie. Berlin, Springer, 7. Auflage, 2008 [9) Male, D.: Immunologie auf einen Blick. München, Elsevier Urban & Fischer, 1. Auflage, 2005 [I 0[ Marischler, C: Basics Endokrinologie. München, Elsevier Urban & Fischer, 1. Auflage, 2007
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Grundlagen
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Zytologie I Zytologie II Chemische Grundlagen I Chemische Grundlagen II Enzyme Enzymfunktion und -kinetik Prinzipien der Stoffwechselregulation Vitamine I Vitamine II Säure-Basen-Haushalt
Zytologie I Die Zelle (I Abb. 1) ist der kleinste lebende Baustein eines Organismus. Sie ist ein eigenes geschlossenes System, das für sich allein lebensfähig ist und über einen eigenen kontrollierten Stoffwechsel verfügt, aber dennoch im Dienste des Gesamtsystems Körper arbeitet. Di e verschiedenen Ze ll typen besitzen alle einen ähnlichen Aufbau: biologische Membranen unterteilen den Innenraum der Zelle in versch iedene Funktionseinh eiten, die Kompartimente. Neben dem Zytoplasma, in dem sich die versch iedenen Zel lorganellen befin · den, gibt es noch das Karyoplasma (vo n der Zellkernmembran umgebenes Plasma) und das die Zelle stabil isierende Zyroskelett. In den folgenden beiden Kapi teln sollen die einzelnen Bestandteile der Zelle, insbesondere die Zellorganellen, besprochen werd en.
Plasmame mbran
An der Außenseite der Zellmembran haften verschiedene Kohlen~ hydratreste (z. B. Glukose, Galaktose, Mannose, Aminozucker), die zusammen die sog. Glykokalix bilden. Sie unterscheidet sich von Zellart zu Zellart und dient der Zelle als charakteristische und spezifische Erkennungsstruktur. So können sich gleichartig diff~ renzierte Zellen erkennen, was z. B. Voraussetzung für die Ausbildung von Gewebsverbänden ist.
Aufgaben Die Au fga ben der Plasmamem bran sind im Wesentl ichen: gegenüber der Um we lt, bzw. gegenüber and erer Zellorganellen (bei intrazellulären Membranen), ~ Gewährl eistung konLrollierten StoffLransports und Aufrechterhal tung des inneren Milieus der Ze lle, ~ Übersetzung und Weiterleitung äußerer Signale (Signaltransduktion) ins Innere der Zelle über Rezeptoren, ~ Ausbi l d u ng von Zell kontakten und damit Erm öglich ung von Gewebe- und Organbildung, ~ Verankerung des Zytoskeletts und damit Stabilisierung der ~ Abgre n zu n g
Durch die Plasmamembran (= Zellmembran) w ird die Zelle von ihrer Umgebung abgetrennt.
Aufbau Die Plasmamembran ist ein typischer Bilayer, eine Doppel lipidschicht , die von amphipathischen Fetten gebildet wird, die aus einem polaren (also hydrophilen) Kopf und einem unpolaren (also hydrophoben ) Schwanz aufgebaut sind. Die Doppelschicht kommt durch hydrophobe Wechselwirkungen der unpolaren Fettschwänze zustande (s. Kap. 62). Das Grundskelett der Plasmamembran bilden Phospholipid e, die den Hauptteil ausmachen . Au ßerdem enthält sie Cholesterin, das der Stabili tät und Fluidität der Membran dient, und Glykolipide, die mit den Glykoproteinen zusammen die Glykokalix bilden. Neben den Lipiden enthält die Zellmembran auch zahlreiche (u. a. Trans·) Membranproteine, die z. B. für den Transport in bzw. aus der Zelle (Kanalpro teine, Transporter), die in terzelluläre Kommunikation (Rezeptoren), die Ausbild ung von Zellkon takten, oder die Zellerkennun g (Glykokalix) verantwortl ich
Mitochondri um (Ort der Zellatmung) Kernm embran
Lysosom Zytoplasma raues endopl asm ati sches Retiku lum (Ribosomen)
sind . Die Proteine sind nach dem Fluid-Mosaik-Modell nac h Singerund Nicolson in dem Oüssigen Phospholipidfi lm versch iebbar eingebettet.
Golgi-Apparat
I Abb . 1: Die euk aryonti sc he Zelle un d ihre Orga nellen ) 121
glattes endoplasmati sches Retikulum
Zelle, ~ Au fbau chemischer oder elektrischer Gradienten.
Stofftransp ort Es gibt versc hiedene Mechanismen, über die Stoffe über die Zellmembran transportiert werden könn en. Man untersch eidet ganz grob zwischen dem passiven Transport, für den keine Energie aufgewend et werden muss, und dem ATPverbrauchend en akti ven Transport. Au ße rdem ist es möglich, Stoffe durc h Abschnürung von Membranteilen über die Membran zu Lransportie ren (= Zytose), was mit oder ohne En ergieverbrauch einhergehen kann. ~ Passiver Transport: Hierbei folgen die Stoffe einem Konzentrations- oder Ladungsgefäll e, weshalb kein zusätz licher Energieaufwand mehr nötig ist. Bei der Diffusion wand ert das M olekü l entweder frei durch die Ze lle ("freie Di ffu sion") oder nur mithi lfe ein es Carrier-Kan alproteins (" erleichterte Diffusion "), je nachdem, wie groß und wie polar der Stoff ist. Wäh rend kleine, unpolare Stoffe meist problemlos über die Membran gelangen, können größere, geladene Stoffe nur durch erleichterte Di ffu sion transporti ert werd en. ~ Aktive r Transport: ollen Stoffe entgegen ein es Konze ntrationsgefäl les über die Membran g !an en, muss dafür Energie au fgewendet werd en. Beim prim är aktiven Transport wonn n und di rekt wird die Energie durch ATP-Spaltun in d n Transport esteckt, bei m sekund är n aktiv n Transport wird zu nächst energiea bhängig ein l kLrochemischer oder Konzentrationsgradi nt auf baut, d r als An tri b fü r d n Transport in s and r n toff s di n .
Grundla gen
-Beispiel für einen primär aktiven Transport: Die Na+/K+-ATPase transportiert unter Verbrauch eines ATP drei Na+-Ionen aus der Zelle und zwei K' -Ionen in die Zelle hinein. -Beispiel für einen sekundär aktiven Transport: In den Nieren wird Glukose gemeinsam mit Na+über einen Symport (s. u.) aus dem Tubuluslumen in die Tubuluszelle rückresorbiert Als Antrieb dient ein Natriumgradient, der zuvor durch die Na+/ K+-ATPase erzeugt wird. Das Na+"reißt" seinem Konzentrationsgradienten folgend die Glukose einfach mit ~ Transportproteine: Dies sind Carrier, die spezifisch Stoffe durch die Zellmembranen schleusen . Sie weisen wie Enzyme eine Sättigungskinetik auf und können durch andere Substanzen kompetitiv gehemmt werden. Man unterscheidet Uniporte, bei denen ein Molekül alleine transportiert wird, von Antiporten und Symporten, bei denen zwei Teilchen im Austausch gegeneinander bzw. gemeinsam in die gleiche Richtung transportiert werden. ~ Zytose: Die Aufnahme von Stoffen über die Abschnürung von Membranvesikeln nennt man Endozytose, die Ausschleusung Exozytose. Bei der Endozytose unterscheidet man auch noch zwischen der Aufnahme fester Stoffe (Phagozytose) und die Aufnahme gelöster bzw. flüssiger Substanzen (Pinozytose]. Zytoske lett
Das Zytoskelett stabilisiert die Zelle und ermöglicht außerdem die Bildung von Zellkontakten, die Fixierung von
Membranbestandteilen (z. B. Membranproteine) und die Bewegung mancher Zellen. Die Aktinfilamente sind zusammen mit dem Myosin für die Bewegung der Zelle (v. a. im Muskel) verantwor tlich, erhalten aber auch die Zellform und verankern Zytoskelett und Membranproteine. Intermediärfilamente dienen in erster Linie dem mechanischen Halt und sind gewebsspezifisch. Mikrotubuli sind auch für Zellstabilisierung und Transport wichtig und bilden außerdem den Spindelapparat für die Zellteilung, oder sind als Bestandteile von Geißeln an der Zellbewegung beteiligt.
DNA-Replikation, Synthese von mRNA, rRNA und tRNA
Mitochondrium
Energiegewinnung (ß-Oxidation, Citratzyklus, oxidative Phosphorylierung), Fettsäuren-Ke ttenverlängerung, Teile des Harnstoffzyklu s Ort der Tran slation (Proteinbiosynthese) Synthese von Sekretproteinen
Glatte s ER
Verschiedene Syntheseleistungen
Die einzelnen Zellorganellen werden im folgenden Kapitel genauer erklärt. Dieser kurze Überblick solllediglich den Einstieg erleichtern. Die Funktionen der Zellorganellen (I Tab. 1) kann man grob in drei Gruppen unterteilen: ~
Der Zellkern und die Mitochondrien sind die beiden wichtigsten Organellen und als einzige Organellen von einer Doppelmembran umgeben. Der Zellkern speichert die genetische Information, und die Mitochondrien sind kleine Energiekraftwerke, in denen ATP für die Versorgung der gesamten Zelle entsteht ~ Die Ribosomen, das endoplasmatische Retikulum (ER} und der GolgiApparat sind hauptsächlich für die Proteinsynthese zuständig. ~ Lysosomen und Permcisomen dagegen sorgen für den Abbau nicht mehr benötigten Materials.
~ Tight junctions sind besonders dichte Kontakte, bei denen sich die Membranen zweier Zellen so eng aneinander lagern, dass der Interzellulärraum verschwindet. Beispiele dafür sind z. B. Enterozyten oder die Zellen, die die Blut-Hirn-Schranke ausbilden. ~ Desmosomen: Dies sind Haftkontakte, die entweder zwei Zellen miteinander verbinden (Desmosomen] oder eine Zelle mit der umliegenden extrazellulären Matrix (Hemidesmosomen). Dieser Kontakt dient wieder nur der
Aufgaben (Auswahl)
Raues ER
Überblick über die Zellorganellen
Zellen können sich über Zellkontakte zu einem Gewebe-oder Organsystem zusamme nhaften. Dies geschieht über bestimmte Kontaktformen, die entweder der rein mechanischen Befestigung der Zellen oder dem Informationsaustausch dienen können. Es gibt im Wesentlichen drei Arten von Zellkon takten:
Zellorganelle
Ribo somen
rein mechanischen Verbindung, und wird mithilfe des Zytoskeletts und sog. Adhäsionsmoleküle (Cadherine, Integrine] geknüpft. ~ Gap junctions werden auch Nexus genannt und ermöglichen durch Tunnelproteine den Stoff- und Informationsaustausch zweierbenachbarter Zellen (z. B. Myokardzellen].
Zellkontakte
Zellkern
Golgi-Apparat
Membranspeicher, Modilizierung von Syntheseprodukten (Proteine)
Lysosomen
Speicherve sikel hydrolytischer Enzyme
Zytoplasma
Fett säure-.. de novo"-Synthes e, Teile des Harnstoffzyklus, Glykolyse
213
Manchmal werden RibOsomen, das endoplasmatil~che Retikulum, der GolgiApparat und die PeroXIaomen zur MikroIIOmenfraktlon ~aammengefasst
I
Tab. 1: D ie Zellorganelle n und ihre Aufgaben
Zytologie II Ribosom en haben und sich selbstständig verm ehren.
Zellkern
Aufbau
Mit wenigen Ausnahmen (Erythrozyten) verfügt jed e Körperzelle über einen Zellkern. Manche Zellen haben sogar zwei (z. B. Leberzelle) oder noch mehr Kerne (z. B. Osteoklasten). Der Zellkern ist ein rundliches Zellorganell, das man- im Gegensatz zu den anderen Organellen - schon im Licht· mikroskop erkennen kann. Ihn umgeben eine innere und eine äußere Membran. An den Stellen, an denen die Membranen verschmelzen, befinden sich sog. Kernporen, die aus mehreren Proteinen aufgebaut sind, und dem ATP-abhängigen Transport von Proteinen in und aus dem Kern dienen . Der Zellkern ist Ort der DNA-Replikation und außerdem für die Synthese von mRNA, rRNA und tRNA zuständig, und damit reich an Nukleinsäuren. 90% der DNA und 30% der RNA befinden sich in ihm. Die DNA liegt dabei als Chromatin verpackt vor (s. Kap. 36). Die äußere Membran des Zellkerns geht häufig direkt in die Membran des endoplasmatischen Retikulums über. Dadurch wird eine direkte Verbindung zwischen dem Ort der mRNA-Synthese und einem Ort der Proteinsynthese
Wie der Zellkern auch, besitzen Mi to· chondri en zwei Membranen. Di ese sind aber sehr unterschiedlich aufgebaut: Die äußere Mitochondrienmembran ist glatt und porenreich, was sie für viele Stoffe durchgängig macht, während die innere Membran stark gefältelt und praktisc h undurchläss ig ist. Durch die Falten (Cristae) der inneren M itochond rienmembran vergrößert sich deren Fläche erheblich, wodurch an ihr viele Reaktionen gleichzeitig ablaufen können. Den Raum, der von der inneren Membran umgeben ist, bezeichnet man als Mitochondrienmatrix, den Raum zwischen den Membranen als Intercristae-Raum.
geschaffen. Im Zellkern befinden sich außerdem die Nukleoli( = Kernkörperchen). Sie enthalten hochrepetitive DNA-Sequenzen und sind Hauptbildungsorte der rRNA.
Mitochon drien Die Mitochondrien werden häufig als "Kraftwerke" der Zellen bezeichnet. Dies liegt daran, dass in den Mitochond · rien die meisten Stoffwechselleistungen stattfinden, bei denen ATP, der Energielieferant der Zellen, entsteht. Sie dienen dem Körper also vorwiegend als Energieprodu zenten, sind aber noch an an deren Stoffwechse lvorgängen beteiligt.
Stoffwechselleistungen Der Stoffwechse l der Mitochondrien zielt vorwiegend auf En ergiegewin nung ab. Sie enthalten sämUiche Enzyme des Citratzyklus, der Atmungsk ette und der oxidativen Phosphoryli erung. Außerdem find en dort die Reaktionen der Pyruvat-Dehydrogenase und der ß-Oxidation statt, aus denen AcetylCoA entsteht, welches anschließend energiebrin gend oxidativ abgebaut werden kann. Weitere Stoffwech selleistungen der Mitochondrien sind: ll>-
Mitochondriale DNA (mtDNA)
ll>ll>-
Die Mitochondrien besitzen eine eigene DNA. Sie ist ringförmig und codiert für 13 Proteine, darunter auch einige Enzyme der Atmungskette, sowie für 22 tRNAs und zwei rRNAs. Da sie sehr dicht gepackt ist - sie enthält keine Intrans- und über kein Reparatursy stem verfügt, ist sie anfällig für Mu tationen, die verschiedene Erkrankungen, wie z. B. das MELAS-Syndrom, auslösen. Die sog. Mitochondriopathien werden matemal vererbt (d . h. nur Frauen kön nen diese vererben), da die Mitochond · rien sich in den Spermatozy ten nur in den Geißeln befinden, diese bei der Befruchtung allerdings nicht in die Ei zelle ei ndringen. Es ist verwund erlich, dass die Mitochondrien eine eigene DNA besitzen, daher geht man davon aus, dass es sich bei den Mitochondrien um im Laufe der Evolu tion in die Zellen eingewanderte Mikroorganismen handelt (Endosym biontenthe orie). Dazu passt auch, dass Mitochondrien eigene
ll>-
Teile des Harnstoffzyklus, Porphyrinsynthese, Oxidative Decarboxylierungen, Ketonkörperbild ung.
Um die dazu benötigten Stoffwechse lsubstrate, aber auch die entstehende n Produkte über die undurchlässige innere Mitochondrienmembran zu schaffen, sind verschiedene Transportm echanismen von Nöten (I Tab.! ).
Ribosomen ln den Ribosom en findet die Translation statt, sie sind also Ort der Proteinbiosynthe se. Aufgebaut sind die Ribosomen, die aus zwei Untereinhe iten bestehen (60S- und 40 S-Untereinheit), aus ribosomal er RNA (rRNA) und aus ribosomalen Proteinen. Sie könn en entweder ein zeln im Zytosol vorliegen, od er an das raue endoplasmatische Reti kulum gekoppelt sein, je nachdem für welchen Zweck das Protein synthelisiert werden soll. Die Ribosom en, die an das ER andocken, sind für die Synthese von
Transport
Richtung
Art
Phosphat
außen _,. innen
H'-Syrnport
Pyruvat
außen - ) innen
H·-Symport (s. Kap. 76)
ATP
Innen
Ant iport mit ADP
NADH / H' Fettsä uren
Acetyi-Co A
Malat-Aspart at-Shuttl o Carn ltln-Shutll (s. Kap 68) Malat-Citrat-Sh uttle (s. Kap. 66)
I Tab. I : Tran portsy t m üb r di Mit oc ho ndrienrnem b r 11
Grundlage n
Exportprotein en, also Proteinen, die ihren Bestimmungsort außerhalb der Zelle haben, zuständig. Die freien Ribosomen synthetisieren die Zytoplasmatischen Proteine. Sind mehrere Ribosomen an der Synthese eines Proteins beteiligt und zu diesem Zweck hintereinander geschaltet, bezeichnet man sie als Polysomen. Endoplasmatisches Retikulum
Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein schlauchförmiges Zellorganell, das sowohl mit der Kernmembran als auch mit der Zellmembran in Verbindung steht. Es bildet außerdem eine funktionelle Einheit mit dem Golgi-Apparat. Man kann im endoplasmatischen Retikulum zwei Regionen unterscheiden: das glatte und das raue ER. ~
Als raues ER bezeichnet man den Abschnitt, an dem Ribosomen anlagern. Hier spielt sich die Bildung der Exportproteine ab, welche aus den Ribosomen direkt ins Lumen des endoplasmatischen Retikulums hineinsynthetisiert werden. Neben den exkretorischen Proteinen werden hier auch Membranproteine und Iysosomale Enzyme gebil· det. ~ Am glatten ER sind keine Ribosomen angelagert. Es ist für die Synthese von Membranphospholipiden und Steroid· hormonen zuständig, sowie von Lipoproteinen, Glykoproteinen, Cholesterin und Mucopolysaccharide. Andere Aufgaben des glatten ERs sind: - Glukose-6-Phosphatase-Reaktion (= letzter Schritt der Glukoneogenese), - Biotransformation in der Leber, - Bildung und Glukuronidierung von Bilirubin, - Kalziumspeicherung im Muskel als sarkoplasmatisches Retikulum, - Bildung der Funktionseinheiten des Golgi-Apparates, den Diktyosomen. Golgi-Appa rat
Der Golgi-Apparat setzt sich aus seinen Funktionseinh eiten, den Diktyosomen, zusammen, di e untereinander
415
nicht verbunden sind. Die Seite des Golgi-Apparates, die dem ER und damit auch dem Zellkern zugewandt ist, bezeichnet man als cis-Seite, die periphere Seite, die zur Zellmembran zeigt, als trans-Seite oder Reifungsseite. An seiner cis-Seite nimmt der Golgi-Apparat die vom ER kommenden Vesikel auf, und gibt sie an der transSeHe wieder ab. Die Aufgabe des Golgi-Apparates be· steht in der Modifizierung von Proteinen (= posttranslationale Prozessierung, s. auch Kap. 44), bevor diese an ihren Bestimmungsort verteilt werden. Beispiele für solche Modifikationen sind das Anhängen von Phosphatresten, Kohlenhydratresten, Sulfatgruppen oder Lipidgruppen. Außerdem hat der Golgi-Apparat eine Verteilerfunktion. Er sorgt dafür, dass Sekretproteine und Membranproteine ihren Bestimmungort erreichen und führt durch Abschnürung von lysosomalen Proteinen in einem Vesikel zur Entstehung von Lysosomen.
Lysosomen entstehen durch Abschnürung vom Golgi-Apparat. Sie enthalten hydrolytische Enzyme und sind dadurch zum Abbau von sowohl zelleigenen als auch zellfremden Stoffen befähigt. Zu den Hydrolasen der Lysosomen gehören z. B. die saure Phosphatase, saure Ribonuklease, Kollagenase, Glukuronidasen, saure Triacylglycerin· Iipase usw. Ein neu gebildetes Lysosom, das noch keine Substanzen aufgenommen hat, bezeichnet man als primär. Hat ein Lysosom bereits Substanzen aufgenommen und ist gerade dabei, diese hydro· lytisch abzubauen, heißt es sekundäres Lysosom.
Peroxisomen
Proteasomen
Peroxisomen sind kleine Vesikel, die vom rauen ER abgeschnürt werden und verschiedene Enzyme (Peroxidasen, Katalasen, Uricase) enthalten, die Sauerstoff-abhängige Oxidationen katalysieren. Damit können Zellstrukturen vor Oxidation geschützt werden. Das dabei entstehende Wasserstoffperoxid H20 2 wird anschließend durch die Katalase zu H20 und 0 2 abgebaut. Beson-
Im Zytoplasma und im Zellkern befinden sich kleine Proteinpartikel, die über proteolytische Aktivität verfügen. Auf diese Weise können geschädigte oder falsch synthetisierte Proteine abgebaut werden. Die Proteine müssen zum Teil erst mit Ubiquitin markiert werden, bevor sie in den Proteasomen abgebaut werden können (s. Kap. 42).
ders häufig kommen Peroxisomen in Leber- und Nierenepithelzellen vor. Peroxisomcm sinii außerdem an der ß-Oxidatlonbetelllgt {s. Kap. 68).
Lysosomen
Zusammenfassung X Plasmamembranen bestehen aus einer Lipiddoppelschicht, deren Grundskelett Phospholipide bilden, und in die Proteine eingelagert sind. X Man unterscheidet einen aktiven, energieabhängigen Stofftransport durch die Membran vom passiven ATP-unabhängigen Transport. X Der Zellkern enthält die genetische Information und ist Ort der DNA-Replikation und der RNA-Synthese . X Mitochondrien sind als "Kraftwerke" der Zelle vor allem für die Energiegewinnung zuständig. X Die Ribosomen, das endoplasmatische Retikulum und der Golgi-Apparat meistern gemeinsam Synthese und Zielsteuerung von Proteinen.
Chemische Grundlagen I I Abb . I : Aufbau
In diesem Kapitel wollen wir uns nun erst ein mal mit den wichtigsten Grundbegriffen der Chemie beschäftigen. Wir können hier allerdings nur auf die wichtigsten Grundlagen der Chemie eingehen. Genauere Details können in einem Lehrbuch der Chemie nachgelesen werden.
eine s Wa sse rst offsowie ei nes Sa ue rstoffatoms
Wasserstoff ~ H
Atome und Ionen
Kern : 1 Proton 1. Schale: 1 Elektron
Aufbau und Bestandteile von Atomen
Die kleinsten Bausteine, aus denen alles besteht, und die nicht mehr weiter auftrennbar sind, sind die Atome. Aufgebaut sind diese Atome aus positiv geladenen Protonen, negativ geladenen Elektronen und ungeladenen Neutronen. Während Protonen und Neutronen ungefähr die gleiche Masse haben, beträgt die Masse der Elektronen nur einen Bruchteil davon, etwa 1/ 2000. Um nicht mit der absoluten Masse rechnen zu müssen, verwendet man vereinfacht die relative Masse (I Tab. ! ) Diese Elementarte ilchen bilden die Grundlage aller Atome. Im Atomkern befinden sich Neutronen und Protonen. Der Kern ist positiv geladen und enthält fast die vollständige Masse des Atoms. Umgeben ist er von einer negativ geladenen Elektronenhülle. Nach außen hin ist das Atom also von neutraler Ladung. Aufbau der Elektronenhülle Die negativ geladenen Elektronen ordnen sich nach einem bestimmten Prinzip um den positiv geladenen Atomkern an. Sie verteilen sich in Schalen um den Kern. Diese Schalen können in der Regel acht Elektronen aufnehmen. Nur die erste Schale enthält maximal zwei Elektronen. Die einzelnen Schalen werden von innen nach außen gefüllt. Das Sauerstoffatom beispielsweise hat acht Elektronen - zwei in der ersten Schale und sechs in der zweiten (I Abb. I). Die Elektronen in der äußersten Schale werden auch Bindungs- oder Valenzelektronen genannt. Größe des Atoms Ein Atom hat in etwa einen Durchmesser von 0, I nm. Der Atomkern macht aber nur einen Bruchteil davon aus, umgeben von der Elektronenhülle mit den frei beweglichen Elektronen . Das Größenverhältnis kann man sich in etwa vorstellen, wenn man eine Orange (diese steht für den Atomkern) in einen riesigen Saal (die Elektronenhü lle) legt. Kernladung szahl Die Kernladungszahl, auch Ordnungszahl genannt, entspricht der Anzahl der Protonen in einem Atomkern . Das
~0
1
Sauerstoff
Kern : 8 Protonen 8 Neutronen 1. Scha le: 2 Elektro nen 2. Schale : 6 Elektronen
kleinste Atom ist hierbei das Wasserstoffatom. Es hat die Kernladungsza hl I, also ein Proton in seinem Kern. Nach außen hin ist jedes Atom von neutraler Ladung, also besitzt es die gleiche Anzahl an Elektronen in der Hülle. Massenzahl Die Massenzahl entspricht der Anzahl der im Kern enUlaltenen Protonen und Neutronen zusammen. Die Elektronen werden aufgrund ihrer geringen Masse vernachlässigt. Das Element Stickstoff (N) beispielsweise hat die Kernladungsza hl 7. Die Massenzah l beträgt 14. Es besteht aus 7 Protonen 7 Elektronen und 7 Neutronen. Seine Schreibweise wird in ' I Abbildung 2 dargestellt. Enrnält ein Atom nicht die gleiche Anzahl an Protonen und Neutron en, so spricht man von einem Isotop des ursprünglichen Atoms. Beim Stickstoff gi bt es hier die Möglichkeit des 15 N- es enthä lt 7 Protonen und 8 Neutronen . Atommasse Die Atommasse entspricht der Masse eines Atoms. Die absoluten Massen sind sehr klein (ein Wasse rstoffatom wiegt ca. I ,66 x I0-24 g). Um den Um gang mit der Masse zu erleichtern, wurde die relative Atommasse definiert. Diese wurde festgelegt als die Masse des Kohlenstoffs: 12,000. Ein Wasserstoffatom hat den zwölften Tei l der Masse eines Kohlenstoffatoms, also 1,00. Ion en
Ionen sind nach au ßen hin immer positiv oder negativ geladen. Es handelt sich hi erbei um Atome, di e Elektronen aufgenommen oder abgegeben haben.
' " t
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I
1
o:
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I
Relative Ladung
Absolute M18ae
Pro ton (p)
+I
1,66 X J0·1<
Neutron (n)
0
1,66 x ro-><
Elektron (e·)
1 Tab. 1:
- I
9, IO x 10
18
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Lad ung und Masse vo n Protonen, Neutronen und Elektronen
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Relative Ma18e
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Elementartelleh en
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Eleme nt symbol M M asse nza hl O rd nun gsza hl ~ -I Abb . 2: Sehr lbw I e von EI mcn ron
I O
:
0 O II
Grundl agen Elemen te und Period ensyst em der Elemen te Ein Element Ist ein Stoff, der nur aus Atomen besteht, die alle die gleiche Kernladungszahl haben.
Stoffme nge
Die Stoffmenge eines Elements wird in Mol angegeben. Ein Mol eines Stoffes enthält genau 6,02 x 10 23 Atome. Diese Konstante wird als Avogadro'sche Zahl bezeichnet. So kann man die Mengen verschiedener Stoffe vergleichen. Gleiche Stoffmengen enthalten immer die gleiche Anzahl an Teilchen, egal, um welchen Stoff es sich handelt. 1 moleines Elementes gibt somit die relative Atommasse in Gramm wieder.
nenhülle entspricht der Hauptgruppe des Elements. Die Elektronen befinden sich in der Hülle in Schalen um den Kern. Die erste Schale kann wie bereits erwähnt maximal zwei Elektronen aufnehm en. Dies ist auch der Grund dafür, dass in der ersten Periode des Periodensystems nur zwei Elemente, Wasserstoff (H) und Helium (He) enthalten sind. Ab der zweiten Schale können sich dann jeweils bis zu 8 Elektronen dort befinden. Außer den oben aufgeführten Hauptgruppen gibt es noch Nebengruppen im Periodensystem der Elemente, die aber für Mediziner in der Biochemie keine große Rolle spielen. Chemi sche Bindun gen Atombi ndung
Periodensystem der Elemente (PSE}
617
=
kovalente Bindung
Eine Atombindung, auch kovalente Bindung genannt, Alle Elemente, die zurzeit bekannt sind, werden im sogeist die feste Bindung zwischen zwei Atomen. Solche Binnannten Periodensystem der Elemente angeordnet (I Abb. 3). dungen liegen vor allem in Nichtmetallen und KompleSie haben ein bestimmtes ElementsymboL Momentan sind xen vor. 111 Elemente in diesem System aufgeführt. Die Atome streben danach, ihre äußeren Schalen mit ElekIn jedem Kästchen des Periodensystems ist ein Element tronen aufzufüll en. Die bereits in der Schale enthaltenen mit seiner Kernladungszahl und der dazugehörigen relatiValenzelektronen versuchen, kovalente Bindungen mit den ven Atomma sse aufgeführt. Die horizonta len Zeilen sind Valenzelektronen anderer Atome einzugehen. Es entsteht die 7 Perioden, die senkrechten Spalten sind die Gruppen. eine Elektronenpaarbindung. Hierbei kann jedes Atom Man unterscheidet hier zwischen Haupt- und Nebengrup· genau die Zahl an Bindungen knüpfen, wie es Elektronen in pen. der äußersten Schale besitzt. Es besteht ebenfalls die MögIn den einzelnen Perioden sind die Elemente nach der steilichkeit, dass mehrere Elektronenpaarbindungen zwischen genden Zahl der Elektronen in der Elektronenhülle geordnet. zwei Atomen gebildet werden, es entstehen Doppel-, DreiDie Zahl der Elektronen in der äußersten Schale der Elektrofach- und in seltenen Fällen sogar Vierfachbindungen.
I . Periode 2. Periode 3. Periode 4. Periode 5. Periode 6. Periode 7. Periode
1.0079 W as.~ie rslofT
4.0026
1H
2
13
(II A)
(lil A)
14 (I VA)
6.941
9.0122
L ithium
10.811
Beryllium
12.011
Bor
JLi
Kohlenstoff
4Be
sB
6C
1N
24.305
26.982
28.086 Silicium
14Si
22.990 Natrium
Magnesium Al uminium
15
16
17
He lium
(VA)
(V IA)
(VIIA)
,He
14.007
15.9994
18.998
S1id.s1off
20. 180
Saucrstoff
Fl uor
Neon
sO
9F
10Ne
30.974
32.066
35.453
39.948
Phosphor
Schwefel
Chlor
Argon
1sP
16S
11CI
1sAr
11Na
12Mg
nAI
39.098
40.078
Kalium
69.723
Calcium
72.61
Gall ium
74.922
78.96
79.904
Gennanium
83.80
19K
wCa
Ar>< n
Selen
J1Ga
Brom
Kryplon
l2Ge
33AS
34Se
Jsßr
J6Kr
85.468
87.62
Rubidium
114.82
Suonlium
118.71
Indium
121 .75
127.60
126.90
J& Sr
Zinn
131.29
HRb
49ID
Anti mon
Tellur
Iod
Xe non
5oSD
SiSb
s2Te
SJI
s4Xe 222.02
132.91
137.33
Caesium
Barium
204.38
207.2
208.98
208.98
209.99
5sCs
Th1llium
S6ß8
Blei
Bismul
Polonium
s1TI
As1a1
Radon
szPb
s3Bi
84PO*
ssAt*
s6Rn *
223.02
226.03
Francium
Radium
87Fr*
ssRa•
* radioak li ve Ele me nt e; a ngegeben ist die Masse e ines wicht igen Isoto ps (sowe ir be ka nnt)
I Abb .3: Hauptgruppen des Periodensystems der Elemente
Chemische Grundlagen II ie, die Unter der Bindungsenergie versteht man die Energ r zu wiede g indun Atomb e ein aufgewandt werden muss, um n Atome zwei ischen zw spalten. Mit der Zahl der Bindungen benö· wird ie Energ n steigt die Bindungsenergie, am meiste tigt, um einer Vierfachbindun g zu lösen.
Ionen bindu ng aus Ionenbindungen, auch ionisc he Bindungen entstehen , die Ionen nen gelade den hen zwisc n den Wechselwirkunge Ionen ne gelade lich chied unters sich darau s resultieren, dass sind viele gegenseitig anziehen. Beispiele für Ionenbindungen gitter, Ionen einem aus t Salze. Kochsalz zum Beispi el besteh positiv Die ist. aut das aus Natrium- und Chiaridionen aufgeb nen geladenen Na+-lonen reagieren mit den negativ gelade Cl--Ionen zu NaCI: Na++ Cl- .....,> Na Cl Bei ionischen Bindungen handelt es sich um sehr starke um sie Bindungen. Es ist eine hohe Bindungsenergie nötig, Salze viele dass auch, tet bedeu Dies n. wieder zu trenne einen sehr hohen Schme lzpun kt besitzen . Wass ersto ffbrü cken bindu ng ch er Wasse rstoffbrückenbindungen sind um einiges schwä zwi· et gebild n als Atom · und Ionenbindungen. Sie werde freien sehen einem Wasse rstoffatom und einem Awm mit n könne en Elektronenpaaren. Wasse rstoffbrückenbi ndung hen zwisc sowohl innerh alb eines großen Moleküls als auch zwei Molekülen besteh en . eine Ein Beispiel für eine Substanz, in der diese Bindung Wasnen einzel die dem bei er, Wass ist wichtige Rolle spielt, einem zu ungen nbind rücke rstoffb Wasse sermoleküledurch großen Netz verbunden werden. bin· Auch beim Aufbau der DNA sind Wassers toffbrü cken tränge DNA-S beiden Die dunge nvon großer Bedeu tung. cha rakbild en untereinand er solche Bindungen aus, was zur teristischen Doppelhelix der DNA führt.
Chem ische Reak tione n re Bei einer chemischen Reaktion werden ein oder mehre t. ndel a umgew kten Produ ren mehre oder Edukte zu einem ucht verbra auch als frei l sowoh Hierbei kann Energie werde n.
Energ ie von Reak ti onen hrun Um eine_c~emis he Reakyon zu starten . ist oft die Zufü uch g gebra wird e Die ndig. von A.kUv1erungsen ergte notwe t, rg' giebe "Ener hen li um der Reaktion über ein n anfäng oft t Punk n t m hinwegzuhelfen, o dass si ab in m beslim weiter von selbst ablaufen kann. e Startet eine R aklion von s lbst, ohn ass ine solch ponta n Energiezufuhr notwendig ist, spricht man von einer ablaufenden Reaktion. Die benötigte En rgie kann aus r Umg bung in Form Wird von Wärme aufgenomm n w rd n. D m ntspr hend eben. abgeg ärm \ als freiwerdende En rgi Exoth erme Reaktionen ie frei. ln der Bilanz ein r exothermen Reaktion wi rd Energ ieAktiv in g 1 häu gesetzt. Um die Reaktion zu starren , ist wird gie Ener rungsenergie notwendig. Di fre iwerd ende f eine auch als Reaktionsenthalpie bez ich net. Den Ablau r 4. exothe rmen Reaktion zeigt I Abbil ung Endotherme Reaktion en t. Bei einer endmhermen Reaktion wird Energie verb rauch ie energ tions Reak auch als · rungs Es wird sowohl Aktivie gesa.rn zugeführt , um die Reaklion in Gang zu setzen. Die in t nomaufge on Reakli r d f aus der Umge bung fü r d n Ablau zeigt 5 ung Abbild I rgie. mene Energie ist die R ak tionsen den Ablauf einer endoth rmen Reaktion.
Versc hiede ne Arten chem ische r Reak tione n Säure -Base -Reak ti one n sBei Säu re-Base-Reaktion n find L zwisch n d n R aktion parmern ein Austaus h von Proton n, also von H•- Jonen Sä ur statt. Edukt sind imm rein äur und ein Bas . Die n e Proto r d Bas di nd währ r, onato dient als Protonend man a en~ akzeptor ist. Di Proton nüb nr gung b z ichnet Uch als Protolyse. von Ein B ispiel für in so! h R aklion ist di Aufl ösung nenProto r d i rb hi Salzsäu r in Wasse r. Di alzsäur ist Fau em di in ptor, donator, Wass r fu ngi rl als Protonenakz al o als Ba : 'J H I H2 - > H1 ' in zw I T ilfunkti n n auft ilen: ion Funkt di Man kann H· 1 I Proton nabga b : H I 1 H· - H1 • H : ahm 2 Proton naufn
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Grund lagen
819 I
Abb. 5: Ablauf einer endothermen Reaktion
Reaktionsenergie
ßE Edukte Reaktionsverla uf
Redoxre ak ti onen
Bei Redoxreaktionen findet eine Übertragung von Elektronen zwischen den an der Reaktion beteiligten Partnern statt. Ein Reaktionspartner fungiert als Elektronendonator, er gibt ein Elektron ab. Man spricht von einer Oxidati on. Das andere Edukt nimmt das Elektron auf, es handelt sich um den Elektronenakzeptor, an dem die Reduktion abläuft. Eine Reaktion des Elektronendonators X mit dem Elektronenakzeptor Y kann fo lgendermaßen ablaufen: Oxidation: X~ X++ eReduktion: Y + e- ~ YGesamtgleichung: X+ Y ~X+ + yRedoxreaktionen sind im menschlichen Körper von großer Bedeutung. Sie laufen beispielsweise bei unzähligen Stoffwec hselvorgängen ab.
Reversib le un d irrevers ible Reaktion en
Sehr viele Reaktionen sind nicht nur in der Lage, in einer Richtung abzulaufen, es kann auch zur Rückumwandlung der Produkte in die Edukte kommen . Angestrebt wird das Vorliegen eines chemischen Gleichgewichts . Dies ist der Zustand, in dem die für das Reaktion ssystem günstigste Energie vorliegt, und in dem die Hin- und die Rückreaktion in gleichem Ausmaß abläuft. Im menschlichen Körper gibt es aber auch viele irreversible Reaktionen. Diese sind vor allem beim Stoffwechsel notwendig, um die Richtung der Stoffwechselwege festzulegen und häufig Reaktionen, bei denen eine große Menge Energie frei wird.
Zusammenfassung X Atome bestehen aus positiv geladenen Protonen, negativ geladenen Elektronen und Neutronen. Sie sind nach außen hin von neutrale r Ladung. X Ionen hingegen sind geladen. Bei positiver Ladung spricht man von
Kationen , negativ geladene Ionen werden auch als Anionen bezeichnet. X Elemente sind aus Atomen gleicher Kernladungszahl aufgebaut. Sie werden im Periodensystem der Elemente angeordnet.
X Wichtige chemische Bindungen für den Medizine r sind Atom-, Ionen- und Wasserstoffbrückenbindungen . Letztere sind wichtig beim Aufbau der DNA. Sie bilden die Verbindung der beiden Einzelstränge zu einem Doppelstrang. X Von einer chemischen Reaktion spricht man, wenn es zu einer Umwand -
lung von einem oder mehreren Edukten zu Produkten kommt. Bei einer exothermen Reaktion wird Energie frei, bei einer endothermen hingegen muss Energie zugefügt werden .
X Säure-Base-Reaktionen, bei denen eine Protonenübertragung stattfind et, sowie Redoxreaktionen, bei denen es zu einem Austausch von Elektron en zwischen den einzelnen Reaktionspartnern kommt, sind wichtige im menschlichen Körper ablaufende Reaktionstypen .
Enzyme Enzyme sin d Biokatalysatoren, die die Aktivierungsenergie einer Reaktion heruntersetzen und somit dafür sorgen, dass Reaktio nen im mensch lichen Körper ablaufen. Dies w ürde von alleine zwar auch geschehen, aber viel zu lange dauern. Deswegen sind En zyme, die 12 Reaktionen um das bis zu I 0 -Fach e n en des Funktio beschleunigen, für die Körpers essentie ll.
einen Nummerncode (EC-Nummer oder Enzym -Kiassifiz ierungsnummer) erhält. Die erste Nummer steht hierbei für eine der sechs HauptkJassen. Oi e Hauptkl assen lei ten sich im Wesentlichen von den katalysierten Reaktionen ab. Einen Überbl ick über die Hauplklassen gibt I Tabelle 1. Eine wichtige Untergruppe der Transferssen sind die Klnasen. Sie katalysieren Phoaphaqruppenübertragungen von ATP auf Substrate.
Eigenschaften Bei Enzymen handelt es sich in den allermeisten Fällen um Protei ne. Diese haben eine Tertiärstruktur und können über Domänen mit unterschied lichen Teilfunktionen verfügen. Selten besitzen auch Ribonukleinsäuren enzymatische Aktivität, was bei der Protein biosynthese eine Rolle spielt. Wichtig zu wissen ist außerdem, dass Enzyme aus jeder Reaktion unverändert hervorgehen und auch das Gleichgewicht einer Reaktion nicht beeinflu sst wird . Lediglich die Einstellung des Gleichgewichts wird
Zum besseren Verständnis ist es hilfreich, die Nomenklatu r der Enzyme zu verstehen. En zyme erkennt man an der Endung -ase. Sie bestehen außerdem meist aus zwei Teilen, wobei der erste für das Substrat steht und der zwei te für die katalysierte Reaktion . So kann man vom Namen auf die Funktion des En zyms sch ließen.
Manche Enzyme sind nich t für ein bestimmtes Substrat, sondern für eine bestimmte Gruppe (OH-Gruppe, Peptidbindung usw. ) spezifisch, d. h. sie setzen prinzipiell alle Verbindungen um , die diese Gruppe aufweisen {Gruppen-
Enzyme katalysieren nicht nur eine Reaktion selbst. sondern auch deren ROck· reaktlon. Daher kann sich der Name eines Enzyms ggf. auch von der ROckreaktion ableiten. Davon sollte man sich nicht verwirren lassen.
Isoenzyme Isoenzyme sind Enzyme, die die gleiche Reaktio n katalysi eren, sich jedoch gerin gfügig in ihrer Primärstruktur, also in ihrer Aminosäuresequenz, voneinander untersc heiden. Sie haben in der Regel unterschiedliche Eigenschaften (z. B. elektrophoretisc he Wand erungsgeschwindigkeit, KM-Wert, Substrat-
I : Oxido-
n); Biologische Oxidationen (Oxidasen) und Reduklionen (Deh ydrogenase
Laktat-Dehydrogenase
reduk tasen
oft wird ein wasse rstoffübertragendes Coenzym benötig t
2: Transfera sen
Übertragung von versc hiedenen Gruppen (z. B. Pl10sphat-, Melhyl-, Acylgruppen usw.)
Hexokl nase,
3: Hydrolasen
Spaliung chem ischer Bindungen unler H,O-Anlage rung • Hydrolyse
Pllosphatasen, Este rasen, Pepitd asen
4: Lyasen/
Adenylatzyk lase,
Synthasen
Abspaltung von Gruppen unt er Bild ung einer Doppelbindung (• Elimlnieon) rung) oder Anlagerung von Gruppen an Doppelbindunge n (• Additi
5: Isomera sen
Umwandlung von Isomeren
Glukose-6-Phosphatlsomerase
6: Ligasenf
Energieabhängi ge (meist vo m ATP) Knüpfung von Substra lbindungen (C-C, C-0, C-N, C-S)
DNA-Ligase
Synth etasen
I
Enzyme kommen beim Gesunden nur in sehr gerlnsen Mensen im Blutplasma vor. Bei Zelluntergang werden sie jedoch frelsesetzt, und durch eine Aktlvltltsbestlmmung Im Plasma kann auf eine Organachldigung geschlossen werden.
Belspiele
einer Verbindung.
Einteilung der Enzyme
Kreatin -Kinase (CK]: Ähnlich wie die LOH wird auch die CK zur Herzinf arktDiagnostik verwendet. Bei Herzschädigung steigt der Anteil des Isoenzyms CK-MB , das v.a. im Herzmu skel vorkommt, an der Gesamt -CK innerhalb weniger Stunden an. Die CK-MM findet man in der Skelett- und der Herzmu sku la tur, die CK-BB im Gehirn.
Katalysierte Reaktionen
Hauptklasse
spezifität). Ein weiterer Begriff, der erläutert werden sollte, ist die Stereoselektivität Ein Enzym katalysiert somit normalerweise nur ein bestimmtes Stereo isomer
Um den Überblick über die mittlerw eile mehr als 3000 bekannten Enzyme zu gewährleisen, ist eine Klassifikation ei ngeführt worden, bei der jedes Enzym
Laktat-Dehydrogenase (LDH) : Die LOH, die die Umwandlung von Pyruva t zu Laktat katalysiert, besteh t aus vier Untereinheiten. Di ese können entwed er vom Typ M oder vom Typ H sein. Aus der Kombin ation dieser vier Untereinheilen entstehen 5 LDH-Isoenzyme: LDH 1 (H4), LDH 2 (H3 M 1), LDH 3 (H2 M2 ), LDH 4 (H 1 M3) und LDH 5 (M4). LDH 1 und LDH 2 kommen im Herzmu skel vor, und eine Erhöhung dieser Isoenzyme im Plasma deu tet auf einen Untergang von Herzm uskelze llen , wi e z. B. beim Herzinfarkt, hin. LDH 5 findet sich dagegen in der Leber und im Skelett-
muskel.
beschleunigt. Enzyme sind in der Regel für Ihre kataly.. sierten Reaktionen hochspezifjsch, d. h. sie setzen nur ein bestimmtes Substrat um (Substratspezlfitit), und auch nur eine spezielle Reaktion dieses Substrats (Wirkungsspezifltät). Allerdings unterscheiden sich die verschiedenen Enzym!t hinsichtlich des Ausmaßes Ihrer Subetratspezitltät.
affinitä t, isoel ekuischer Punkt), anhanct derer man sie labortechnisch unrersc hei _ den kann . Oft sind diese Isoenzyme organspezifisch, d. h. sie werden in den verschiedenen Geweben unterschiedlich stark exprimi ert, was in der klinischen Diagnostik eine Rolle spielt.
Tab . I : ÜbersiciH über die Enzymhau ptklasse n
Peptidyltranslerase
Aldola se
Pyruvatcarboxylase,
Grundlage n
1o I 11
Lokalisation von Enymen Coenzym
Die einzelnen Komparti mente der Zelle beherbergen unterschiedliche Stoffwechselwege . Dies kommt dadurch zustande, dass ein Kompartiment nicht über alle Stoffwechse lenzyme verfügt, sondern vielmehr über ein begrenztes Repertoire, was auch für die Regulation des Stoffwe chsels von Vorteil ist So befind en sich beispielsweise die Enzyme der Fettsäuresynthese im Zytoplasma, während sich der Fettsäureabbau in den Mitochondrien abspielt So kommen sich Auf- und Abbau nicht in die Quere. ~ Zytoplasma: Enzyme der Glykolyse, Glukoneogenese (Teil) , Fettsäuresynthese, Pentosephosphatweg, ~ Mitochondrium: Enzyme der Atmungskette, Citratzykl us, Fettsäureoxidation, Ketogenese, Harnstoffzykl us, Glukoneogenese (Teil ), ~ Lysosomen: Proteasen, Hydrolasen, Phosphatasen, Nukleasen, ~ Zellkern: NAD+-Phosphorylase, ~ Zellmembran: Na+/ K+-ATPase.
Coenzyme und prosthetische Gruppen Funktionen und Beispiele
Coenzyme sind Hilfsmoleküle , die von vielen Enzymen benötigt werd en, damit diese ihre Funktion ausüben und Reaktionen katalysieren können. Sie dienen hierbei als Überträger von Elektronen, Ionen oder Molekülgruppen. Ist ein Coenzym fest mit dem Enzym verbunden, wird es prosthetische Gruppe genannt Lösliche Coenzyme (= Cosubstrate) werden dagegen nicht-kovalent an das aktive Zentrum des Enzyms gebunden. Allerdings werd en diese Begriffe oft synonym gebraucht Bei den Coenzymen handelt sich meist um seh r stabile Molekül e, die oft wiederverwertet werden können. Sie leiten sic h meistens von Vita minen ab. Im Gegensatz zu den Enzymen sind Coenzyme nur wenig spezifisch. Einen Überblick über die Coenzyme und deren Funk tion gibt I Tabelle 2.
I
Funktion
Vitamin
Nikotinam idadenindinukleotid (NADH)
Wasserstoff-Transfe r (Redox)
Nikotinsä ureamid
Nikotinam idaden indinukleotid phosphat (NADPH)
Wasserstoff-Tra nsfer (Redox)
Nikotinsä uream id
Flavinadenindinuk leotid (FADH)
Wa sserstoff-Transfer (Redox)
Riboflavin
Flavin mononukleotid (FMNH)
Wassers toff-Transfer (Redox)
Ribofl avin Methionin (Aminosäure)
S-Adenosylmethionin (SAM)
Met hylgru ppen-Tra nsfer
Tetrahydro folsä ure (FH4)
Formylgruppen-Transfer
Folsäure
Coenzym A (CoA)
Übertragung vo n Acylresten
Pantothensäure
Biotin
Transfer vo n C0 2
Biotin
Pyridoxalphosphat
Aminogruppenüber träger
Pyridoxin (Vitamin B6)
Tab .
2: Coenzym e und
d eren Fun ktion
Coenzyme als Wasserstoffüberträger
fachung wird die Zustandsform oft außen vor gelassen, und die Abkürzungen NADH, NADPH und FADH verwendet. NADH, NADPH (I Abb. 1) und FADH Enzyme können normalerweise nur mit sind die wichtigsten Überträger von Re- einem Coenzym als Elektronenüberträduktionsäquivalenten, d. h. sie dienen ger arbeiten, also z. B. entweder NADH als Elektronenüberträger bei Redox-Reoder NADPH . Interessant ist außerd em, aktionen, wobei die Elektronen meist dass NADH und FADH hauptsächlich zusammen mit Wasserstoffprotonen als NAD+und FAD+vorliegen und übertragen werden. Sie können entwevor allem an katabolen Oxidationen der in ihrer oxidierten (NAD+, NADP+ als Elektronenakzeptoren beteiligt sind . bzw. FAD ) oder ihrer reduzierten Form NADPH dagegen dient in seiner redu(NADH/ H+, NADPH/ H+ bzw. FADH2 ) zierten Form (NADPH/ H+) vor allem vorliegen und je nachdem Elektronen als Elektronendonator für Synthesereak abgeben oder aufnehmen. Zur Vereintionen (anaboler Stoffwechsel) . Anl agerung s ste lle
I
für d as Hydrid-Ion (W)
vo n NA DH b zw. NAD PH
(
N~
w
~c,
~:-~
~N
N~~ )
CH2-o-~~ -o-~~-o-~c ,lo
NH2
NeH H
N
o-
H
Ab b. 1: Stru ktu rfo rm el
0
H
o-
b e im NADP+ statt OH:
HH OH
HH
O
I
O H - O=P- o1 o-
Zusammenfassung X Enzyme sind hochspezifische Biokatalysatoren und ermöglichen durch Herabsetzen der Aktivierungsenergie .chemische Reaktionen. X Sie sind meist substrat- oder gruppenspezifisch sowie wirkungsspezifisch. X Isoenzyme katalysieren die gleiche Funktion, aber unterscheiden sich in ihrer chemischen Struktur und sind oft organspezifisch. X Coenzyme sind für den Ablauf vieler Reaktionen nötig. Die Coenzyme NADH, NADPH, FADHund FMNH sind als Elektronenüberträger an RedoxReaktionen beteiligt.
Enzymfunktion und -kinetik Wie funktionieren Enzyme? Damit eine Reaktion ablaufen kann, muss zunächst einmal eine Aktivierungsenergie aufgewen det werd en. Di ese ist unter den Tempera turverhältnissen, wie sie im Körper herr· sehen (37 oc), meistens so hoch, dass die Reaktion enwenn überhaupt - nur sehr langsa m ablaufen würden. Enzyme können diese Aktivierungsenergie herabsenken und das Ablau fen einer Reaktion dadurch besch leunigen, wobei die Gleichgewichtslage der Reaktion jedoch nicht verändert wi rd. Enzyme entfalten ihre Wirkung, indem sie ihr dazugehöriges Substrat an einer speziel len Bindungsstelle - dem aktiven Zentrum - bind en, wodurch sich ein En zym·Substrat· Komplex ausbild et. Diese Verbindung ist sehr reaktionsfreudig und führt zu einer sog. Substrataktivierun g. Das Produkt entsteht, und das Enzym wird unverändert aus dem Komplex freige-
.... Die Affinität eines Enzyms sa t aus, wie ei nfach sich ein Enzym mit seinem Substrat vereinigt. Je höher die Affinität desto geringer muss die Substratkonzentration sein, damit ' es zur Ausbildung eines En zym -Substra t-Komplexes kommt und umgekehrt. Als Maß für die Affinität eines Enzyms ka n ~ die Michaeliskonstante KMdienen (s. u.), dabei gilt: Je nied riger die Michaeli skonstante, desro höher die Affinität. .... Die katalytische Kapazität (= Vmaxl eines Enzyms besc hreibt die maximale Geschwind igkeit, mit der ein Substrat umgesetzt wird, wenn alle Enzyme mit Substrat beladen sind. Sie ist von der Enzymko nzentration abhängig . Teilt man Vmax durch die Enzymko nzentration lEI, so erfährt man, w ie viele Substratmoleküle ein einziges Enzym pro Minute umsetzt. Diesen Wert bezeichnet man als Wechselzahl (WZ).
Michaelis-Menten-Kinetik
Geht ma n von einer konsta nten Enzymmenge aus, so ist die Geschwindigkeit, mi t der eine enzymatische Reaktion abläuft von der Substratkonzemration abhängig . Versucht man, die ' Reaktionsgeschwi ndigkeit in Abhängigkeit vo n der Substratkonzentration graph isc h darzustellen, so zeigt diese einen typischen Verlauf (I Abb. 2). Enzymkinetik ln der Initialphase liegt nur wenig Substrat vor, was zur Folge hat, dass sich nur wenige En zym-Substrat-Komplexe ausbilDie Enzymkinetik beschäftigt sich mit der Frage, wie schnell sgeschwindigkeit (v) ist noch gering. Bei enzymkatalysierte chem ische Reaktionen ablaufen. Ihr Haupt- den. Di e Reaktion nder Substrat.konzentratio n [SI steigt auch die Umziel ist es, die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von zunehme satzgeschwindigke it kontinuierlich an, da sich immer mehr der Substratkonzentration zu beschreiben. Dazu bedient sie Enzym-Substrat· Kompl exe ausbi lden können, also immer sich versch iedener Formeln und Begriffe. mehr Enzyme aktiv arbeite n. Dies geschieht allerdings nu1~ bis alle Enzyme mit Substrat beladen si nd , bis also die SubsBegriffe der Enzymkinetik tratsättigung des Enzyms eingetreten ist. Danach kann die Umsatzgeschwindigkeit allenfalls durch eine Erhöhung der Ein· liJJ. Die Aktivitä t eines Enzyms wird in Internationa len Enzymkonzentration gesteigert werden (da wir aber von heiten (U = Units) gemessen . Dabei entspricht eine Einheit einer konstanten Enzymmenge ausgehen, lassen wir diese der Umwandlung von 1 ].l mol Substrat pro Minute. ln der M öglichkeit einmal außen vor ). An dieser Stel le ist die maxiKlinik wird die Enzymaktivität auf das Volumen von 1 ml mal mögliche Reak tionsgesc hwi ndigkeit V max erreicht. bezogen, man gibt sie also in U/ ml an.
setzt: E + S ~ ES ~ EP ~ E + P Die Wirkung von Enzymen über Herabsetzung der Aktivierungsene rgie ist in I Abbildung I dargestellt.
Aktivierun gsenergie der nicht kata lysie rten Hinreaktio n
Aktivierungsenergie der
~-~--!--- Jj''''''"'" "'""'ktloo
Anfangsreaktionsgeschwindigk eit
Energieniveau SubstratS
ßG
Aktivierungsenergie der katalysierten Rückreaktion
l
Vo V max
i En ergieniveau Produkt P
171 I Abb. 1: Energiediagramme (katalysiert e vs . unkata lysierte Reak tion)
V max
KM
Substratkonzentra ti on [S]
tI Abb . 2: Ab hängigkeit der Rcak tionsg schwindigk it von der ubstra 21 1 n) ten-Funktio lis-Men (Micha kon zentration
Grundlag en
Dadurch erhält die Kurve ihren typischen Verlauf. Sie flacht ab und nähert sich asymptotisch an die maximale Geschwindigkeit Vm•., mit der eine Reaktion bei Substratsättigung ablaufen kann, an. Aufgru nd dieser asymptotischen Annäherung wäre es sehr schwierig, die Substratkonzentration zu errechnen, bei der Vmax erreicht wäre, zu mal Vmax nur ein Annäherungswert ist Deswegen berechnet man stattdessen die Substratkonzentration bei halbmaximaler Geschwindigkeit Die Substrat-Konzentration, bei der ein Enzym mit halbmaximaler Geschwindigkeit arbeitet, bezeichnet man als Michaeliskonstante oder abgekürzt als KM. Jedes Enzym hat eine spezifische KM, wobei diese im Gegensatz zu Vmax und zur halbmaxima len Umsatzgeschwindigkeit, nicht von der Enzymkonzentration abhängig ist Um nun die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer bestimmten Substratkonzentration zu berechnen, kann man eine Formel (die sog. Michaelis-MentenGieichung) verwenden, auf deren Herleitung wir verzichten, da das an dieser Stelle zu weit führen würde. Sie lautet: V= Vmax x ISJ HSJ +KM] Umformu ng nach Lineweaver und Burk
Lineweaver und Burk haben durch die Umformung der Michaelis-MentenFunktion eine Gleichung entwickelt, aus der der KM·Wert sehr einfach ermittelt werden kann. Man erhält diese durch die doppeltreziproke Umkehrung der Michaelis-Menten-Gleichung, wobei eine Geraden-Gleichung nach dem Schema y = ax + b entsteht: 1 KM I 1 - =--x-+-V vrnax ISJ Vmax Stellt man diese graphisch dar (I Abb. 3), so kann man aus der Kurve direkt die Werte für den KM-Wert (- 1/ KM= Schnittpunkt mit der Abszisse) und Vmax (1 / Vmax = Schnittpunkt mit der Ordinate) ablesen.
1
I
12
I 13
Abb. 3: Lineweaver-Burk-Darstellung [21
Vo
., ., ; ,.'
., ., Vmax
Einflussfaktoren auf die Enzymkinetik
~ So führt eine Temperaturerhöhung im physiologischen Temperaturbereich zu einer Erhöhung der ReaktionsgeDie Kinetik eines Enzyms kann auf ver- schwindigkeiten. Übersteigt die Tempeschiedene Weisen beeinflusst werden, ratur den physiologischen Bereich, wobei es entweder zu einer Aktivitätsso kommt es zur Denaturierung der abnahme oder Aktivitätszunahme Enzym-Proteine, und die Reaktionsgekommen kann. Sowohl die katalytische schwindigkeit nimmt wieder ab. Aktivität Vmax als auch die Michaelis~ Auch der pH-Wert kann die Aktivi· konstante KMkönnen durch Inhibitoren tät eines Enzyms beeinflussen. Die bzw. Aktivatoren verändert werden, meisten Enzyme arbeiten bei einem was mit einer Verschiebung der Michae- pH-Wert zwischen 5 und 9 am effektivs!is-Menten- und Lineweaver-Burk-Diaten. Es gibt jedoch auch Ausnahmen, gramme einhergeht. Die Regulation des wie beispielsweise die Magenenzyme Stoffwechse ls beispielsweise greift auf (pH 1-2), Iysosomale Enzyme (pH 3-5) solche Mechanismen zurück. Wichtige oder die alkalische Phosphatase Mechanismen der Enzymhemmung und (pH > 7) . -aktivierung sind kompetitive und nicht- ~ Einige Enzyme benötigen die Anwekompetitive Hemmung, Allosterie und senheit von Metallionen, um arbeiten Interkonvertierung bzw. Interkonverzu können. Diese wirken bei den Reaksion (s. Kap. 14). tionen als Cofaktoren. Die ATPase z. B. Auch äußere Faktoren können auf benötigt Mg2•-Ionen, Peptidasen arbei· die Aktivität von Enzymen Einfluss ten mit Mn 2• -, Zn 2• - und Co2+.Jonen zunehmen: sammen.
Zusammenfassung Jt Enzyme katalysieren biologische Reaktionen , indem sie deren Aktivie-
rungsenergie herabsetzen. Jt Die Substratbindungsstelle eines Enzyms bezeichnet man als aktives
Zentrum. Jt Die Michaelis-Menten-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen
Reaktionsgeschwindigkeit und Substratkonzentration bei konstanter Enzymkonzentration. Jt Vmax ist die maximale Geschwindigkeit, mit der eine Reaktion bei
Substratsättigung ablaufen kann . Jt Die Michaeliskonstante beschreibt diejenige Substratkonzentration,
bei der die halbmaximale Umsatzgeschwindigkeit erreicht wi rd. Sie dient als Affinitätsparameter.
Prinzipien der Stoffwechselregulation Die Regulation des Stoffwechsels ist ein wichtige s Thema in der Biochemi e, da nur dadurch ein koordiniertes Ablaufen der unterschiedlichen Reaktion en des Körpers ermöglicht wird, zumal die verschiedenen Stoffwechselsysteme oftmals miteinander verzahnt sind . So wird auch gewährleistet, dass sich der Körper und dessen Funktion flexibel an die herrschenden Bedingungen anpassen können. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird im Wesentlichen durch drei Parameter bestimmt: das Substratangebot, die Enzym aktivitä t und die Enzymmenge.
halb des aktiven Zenu ums des Enzyms (allosteri sches Zentru m) zu einer Kon forma tionsänd erung des aktiven Zentru ms, und somi t zu einer Ak tivitä tssteigerung bzw. -senkun g des En zyms (s. u. ).
Anfangsreaktionsgeschwind igkeit Vo
V max
- 2-
-
KM,
-
ungehemmte Reaktion kompe titiv gehemmte Reaktion (I = Inhibitor) Substratk onzentrat ion [S]
KM,
gehemmt ungehemmt ~
.," ~' ""' , '
1 1 -KM, - KM,
_ 1_ Vmax
1
[S)
I Abb . I: Einflu ss eines kompeti t iven Inhibitors au f Michaelis-Menten- Ku rve und Lineweave rBurk-Gerade [2)
Regulation der Enzymaktivität
Teil des Enzyms wird stets durch den Inhibitor blockiert).
Nicht-komp etitive Hemmung Bei dieser Form der Enzymhemmun g Kompetitive Hemmung konkurriert der Inhibitor nicht mi t dem Bei der kompetitiven Enzymhemmung Substrat um die gleiche Bindun gsstelle, konkurrieren der Inhibitor und das sondern bind et stattd essen außerhalb Substrat um die Bindungsstelle im akdes aktiven Zentrum s, wod urch die tiven Zentrum des Enzyms . Der Inhibiräumliche Struktur des En zyms so vertor blockier t diese, und das Substrat wird, dass die En zymakt ivität ändert Enzym das h. kann nicht andocken, d. hränkt bzw. völlig untereingesc stark Redie ist für die Zeit funktionslos und Dies kann nicht durch wird. drückt aktionsgeschwindigkeit insgesamt herSubstratkon zentration der g Erhöhun abgesetzt. Durch eine Erhöhung der t werden, was dazu gemach gig rückgän Substratkonzentration kann der Inhibierreicht werden nie max V dass führt, tor aus der Bindung verdrängt werden. t diese Form der spiel k Klini kann. In der Ist die Affinität des Enzyms zum Inhibiete Rolle, ordn unterge Hemmung eine tor jedoch viel höher als die zum Subst aber die stell ein prominentes Beispiel trat, ist die Hemmung nahezu irreversiZyanid -Vergi ftung dar, bei der die bel, weil sich der Inhibitor nicht verAtmungskette über eine nicht-kompedrängen lässt. Ein klin isches Beispiel titive Hemmung der Cytochrom -Oxihierfür ist die Vergiftung mit Kohlen unterbrochen wird. Bei der nichtdase r monoxid, einem kompetitiven Inhibito itiven Hemmung verringert sich kompet des Hämoglobins (s. Kap. 11 6). Durch Affinität zum Substrat und dadie XI ma V kompetitive Hemmung kommt es zu der KM-Wert bl eiben allerdin gs auch mit Veränderungen bei der Michaelis-Men 2). Abb. (I ten-Kurve und der Lineweaver-Burk-Ge- gleich raden (I Abb. 1): Zwar bleibt die katalyAllosterie tische Kapazität Vmax gleich (Inhibitor Bei der Allosterie kommt es durch wergt verdrän t kann durch viel Substra Bindung eines Stoffes (allosterisch er den), während sich die Michaelis-KonsEffektor) an eine Bindun gsstelle außertante KMjedoch scheinbar erhöht (ein
ln terkon vertierung Bei dieser Form der En zymregu lation kom mt es durch eine kleine che mische Ve ränd erung eines Enzyms zu dessen Aktivierun g bzw. Deaktivierung. So werden manche Enzy me, die zunächst inakti v sind, erst katalysefähig gemacht und umgekehrt. Dies geschieht meist ' über eine Phosphorylierung durch ein an deres Enzym, z. ß. durc h eine Proteinkinase. Dieser Regu lationsmechanismus findet z. B. in der Koordination vo n Zuckerabbau (Glykolyse) und Zuckersynthese (G lukoneogenese) seine Anwendung, oft infolge von Hormonwirkungen. Produ kt- und Substra th emmung Auch das Produ kt einer Reaktion selbst (Produkthemmung, negative Rückkoppelung) od er ein herrsch ender Substratübersc huss (Substrathemmung) können das katalysi erende Enzym hemmen. Dadurc h wird verhind ert, dass es Anfangsreaktionsgeschwindigkeit
Vmax
- ------ ..!
Vma x1
- 2-
V max2
- 2-
-
-
ungehemm te Reaktio n nichtkompetitiv gehemmte Reaktion (V-Typ) Substratko nzentration [S]
1
v;; -
gel1emmt ungehemm t 1 Vmax2
1 - KM
1
fSi
I Abb . 2: in fluss d r nicht-komp titiv n Hemmung auf Michaelis-M nt en- und Lin weaverBurk-Diag r mm 121
Grundlagen
14 zu einer überschießenden Produkt-Synthese kommt Die Produkthemmung kann hierbei sowohl kompetitiv, als auch nicht-kompetitiv erfolgen. Bei der Substrathemmun g kommt es zur Bindung von zwei Substraten an das aktive Zentrum eines Enzyms. Der entstehende Komplex kann nicht umgesetzt werden, wodurch die Reaktionsgeschw indigkeit abnimmt.
Reaktionsgeschwindigkeit des Enzyms
I
15
Reaktion sgeschwindigkeit des Enzyms
tvmax
Besonderheiten der Allosterie
Die Allosterie nimmt eine SonderstelJung in der Stoffwechselregulation ein, da sie wesentlich an der intrazellulären Koordination verschiedener Stoffwechselwege beteiligt ist So werden Schrittmacherreaktionen in der Regel allosterisch reguliert Zunächst gilt es, den Begriff der Kooperativität zu erklären. Die meisten allosterischen Proteine, worunter auch die wichtigsten Schlüsselenzyme fallen, bestehen aus mehreren (jedoch mindestens zwei) Untereinheiten, die sich gegenseitig beeinflussen. So führt die Bindung von Substrat an eine der Untereinheiten zu einer Erhöhung der Substrataffinität der nächsten Untereinheit etc. Das bedeutet, dass mit jeder Bindung von Substrat an eine Untereinheit die Bindung an die anderen Untereinheiten erleichtert wird. Dadurch erhält die Kurve der Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Substratkonzentration einen sigmoiden Verlauf. Die einfache MichaelisMenten-Formel ist hier nicht mehr ausreichend. Nun kann diese Kurve durch die Anwesenheit von allosterischen Effektoren beeinflusst werden. Man unterscheidet bei allosterisch regulierten Enzymen zwei Typen:
_......Km Km Km...._ Substrataktiviert ohne h gehemmt konzentration a11 ostensc e
Substratkonzentration
Regulation
I Abb . 3: Einfluss allosteri scher Effektoren: links Enzym vom K-Typ, recht s Enzym vo m V-Typ [3]
..,. K-Typ: Modulatoren vom K-Typ bewirken eine Veränderung der Mfinität des Enzyms zum Substrat, also des (scheinbaren) KM-Werts. Beispiel: Phosphofructokinase (PFK) . ..,. V-Typ: Aktivierung oder Hemmung vom Y-Typ führt zu einer Veränderung der katalytischen Kapazität, d. h. die Maximalgeschwindigkeit wird verändert Beispiel: Pyruvatcarboxylase (PC).
Regulation der Enzymmenge ..,. Induktion und Repression der
Enzymsynthese: Durch Erhöhung der
Transkriptionsrate des Gens, das für ein Enzym kodiert, wird die Enzymproduktion gesteigert, eine Verminderung bewirkt das Gegenteil. Dieser Mechanismus läuft langsamer und nachhaltiger ab als die oben beschriebenen Prozesse zur Veränderung der Enzymaktivität. Oft wird er durch Hormone gesteuert. ..,. Limitierte Proteolyse: Aus einer inaktiven Vorstufe, einem sog. Proenzym, entsteht durch Abspaltung bestimmter Sequenzen das aktive Enzym. Vor allem extrazelluläre Enzyme (z. B. Verdauungsenzyme, Gerinnungsfaktoren) werden durch limitierte Proteolyse reguliert.
Zusammenfassung • Die Stoffwechselregulation erfolgt in der Regel über die Beeinflussung von Schrittmacherreaktionen und deren Schlüsselenzyme. • Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Enzyme in ihrer Aktivität zu beeinflussen. Wichtige Begriffe sind hier kompetitive und nicht-kompetitive Hemmung, Allosterie und lnterkonvertierung. • Ein kompetitiver Inhibitor kann bei steigender Substratkonzentration aus dem aktiven Zentrum verdrängt werden, die nicht-kompetitive Hemmung dagegen kann nicht durch Substratzugabe rückgängig gemacht werden. • Bei allosterischen Enzymen vom K-Typ wird die Affinität zum Substrat verändert, bei solchen vom V-Typ ändert sich die Maximalgeschwindigkeit Vmax•
• Andere Einflussfaktoren auf den Ablauf von Stoffwechselreaktionen sind das Substratangebot und die Enzymmenge.
Vitamine I Vitamine sind organisch e Verbindungen, die der menschli che Organismus nicht selbst synthetisieren kann, sie sind also für den Menschen essentiell und müssen über die Nahrung aufgenommen werden. Eine Ausnahm e bildet das Vitamin D, das der Mensch aus Cholesterin herstellen kann. Vitamine nehmen verschied ene Funktion en ein: einige von ihnen, wie Vitamin A, Vitamin K und alle B-Vitamine sind Coenzyme wichtiger Reaktion en od er Bestandt eile dieser, und daher unverzichtbar für die Aufrecht erhaltun g des Stoffwechsels. Aufgabenbereiche and erer Vitamine beinhalten z. B. den Oxidationsschutz, die Regulation der Genexpression, oder die Signaltransduktion im Auge.
eherunspezifisch sind (z. B. Abgeschlagenheit, Konzentrationsstörungen, Schwindel), können ausgeprägte Hypo· oder Avitaminosen zu schweren Symptomen füh ren, die für das jeweilige Vita min spezifisc h sind. Erhält der Körper zu große Mengen ein es Vitamins, so kann dies schädi gende Wi rk ungen zu r Folge haben . Diesen Zu· stand bezeichn et man als Hypervitaminose. Hypervit aminosen kommen allerdings sehr sel ten vor und können nur bei fettlöslichen Vitaminen auftreten, da die überschü ssi gen wasserlöslichen Vita mine bei " Überdos ierun g" über die Niere ausgeschieden werden . Ein en Überblick über die einzelnen Vitamine, deren Vorkom men, Funktion und Mangelerkrankun gen gibt I Tabelle 1.
Fettlösliche Vitami ne
Man teilt die verschiedenen Vitamine in zwei Gruppen ein: wasserlösliche Vitamine und fettlösliche Vitamine. Zu den fettlöslichen Vitaminen zählt man die Vi tamine A, D, E, K (Merkhilfe: EDEKA), alle übrigen sind wasserlöslich.
Hypo- und Hypervitaminosen Wird dem Körper zu wenig eines Vitamins zugeführt, so kann dies zu einer Hypovitaminose, oder im schlimm sten Fall zu einer lebensbedrohlichen Avitaminose führen. Dies kann als Folge einer unzureichenden, einseitigen Ernährun g oder aufgrundvon Resorptionsstörungen auftreten, kommt aber heutzutage in unseren Breiten selten vor, zumal der Tages· bedarf an Vitaminen nur sehr gering ist (0,005- 60 mg). Während die Symptom e eines geringfü gigen Vitaminm angels
Vitamin
Funktion
Als lipophil e Molekül e werd en für die Resorption der fett· löslichen Vi tami ne Gallensäuren benötigt. Sind davon nicht ausreichend vorhand en, so kann dies zu Mangelzuständen führen.
Reti nol (Vitamin A) Das Retinoll eitet sich chemisch von den Isoprenaiden ab. Es kann über die Nahrung entweder direkt oder in Form der Karotinoid e(= Provitamine) aufgenommen werd en. Es gibt drei biologisch aktive Formen des Vitamin A: ..,.. Das Retinol sorgt für die Stabilisierung biologischer Membranen, insbesond ere der Epithelze llen von Haut und Schleimh äuten. ..,.. Das Retinoat hat Ein fi uss auf Wachstum, Differenzierung und Embryogenese, indem es die Proteinsynth ese und die Mitose rate antreibt.
BedarfjTag
Vorkomme n
Mangelerkrankung
Fettlösliche Vitamine
A (Retinol )
Signa ltransduktion, Epithelstabilisierung
1,5- 2mg
Karott en, Tomaten, Grünpfl anzen, Fischöl, Eigelb, Leber
Nac htblindheit, Xerophthalmi e
Ca 2 '-Stoffwechs el
0,02 mg
Leber, Tierfett, Milchproduk te
Rachitits, Osteomalazie
D (Calciferol)
Oxidationsschutz
20 mg
Getreide, Nüsse, Öle, Soj abohnen
Muskelsc hwäche
E (Tocopherol)
Bildung von Faktoren der Blutgerinnung
1- 2 mg
Leber, Nü sse, Grünpflanzen
Hämorrhagische Diath ese
K (Phyllochinon)
60 - 100 mg
Obst, Paprika, Sa lat, Innereien
Skorbut Beri-Beri, Pol yneuriti s
Wasserlösliche Vitamine
C (Ascorbinsäure)
Oxidati onsschutz, Coenzym
B, (Thiamin)
Coenzym
1,5- 2 mg
Hefe, Getreide, Nüsse, Eigelb, Innereien
Coenzym
2 - 4 mg
Getreide, Hefe, Soja bohnen, Obst, Nüsse, Innereien
Neuritis, Krämpfe
B, (Pyridoxin)
Coenzym
0,003 mg
Eier, Fleisch
Pern iziöse Anämie
B" (Cobalamin)
Vitamin·B 2-Komplex
I
Coenzym
1,5- 2 mg
Pilze, Salat, Tomaten, Innereien
Derm atiti s, Schleimhaut entzündungen
Ribofl avin
Coenzym
t0 - 20 mg
Hefe, Ge treide, Pilze, Nüsse, In nereien
Pellagra
Nikotinamid
Hefe, Getreide, Nüsse, Eier, Innereien
Graue Haare, .. burn lng-foe t-syndrome"
Pantothensäure
Coenzym
tO mg
Folsäure (Vit. M)
Coenzym
0,3 - 1 mg
Biotin (Vit. H)
Coenzym
0, 15- 0, 3 mg
Tab . 1: Überb lic k übe r di e Vitamin e
Anämie D rma tltis
Grundlagen
~ Das Retinal bildet als 11-cis-Retina! zusammen mit dem Protein Opsin das Rhodopsi n (Sehpurpur), welches als lichtempfindlicher Stoff für den Sehprozess von bedeutender Rolle ist.
Das Retina! und das Retinaliassen sich durch eine Alkoholdehydrogenase reversibel ineinander umwandeln (I Abb. I). Bei Vitamin-A-Mangel kommt es infolge der verlangsamten Regeneration des Sehpurpurs zu einer verminderten Lichtempfindlichkeit der Sehstäbchen, was eine Nachtblindheit zur Folge hat Außerdem kann die Hypovitaminose zu Verhornungsstörungen des Epithels führen, wie Hyperkeratosen oder Xerophthalmie.
Calciferol (Vitamin D) Die wichtigsten Vertreter der D-Vitamine (Calciferole) sind das Vitamin D2 (Ergocalciferol) und das Vitamin D3 {Cholecalciferol), wobei nur Letzteres im menschlichen Körper synthetisiert werden kann und deshalb für uns die größere Rolle spielt. Das Cholecalciferol entsteht aus seinem Provitamin, dem 7-Dehydrocholesterol, das in der Leber aus Cholesterin gebildet wird . Im Aufbau und in seiner Funktion weist es eine große Ähnlichkeit zu den Steroidhor-
~
Phyllochinone (Vitamin K) Das Vitamin K {I Abb. 2) leitet sich vom 2-Methyl-1 ,4-Naphthochinon (= Menadion ) ab. Es gibt zwei Wege, wie der Mensch an Vitamin K kommt: Es ist nicht nur in pflanzlichen Nahrungsmitteln enthalten, sondern wird auch von den Bakterien unserer Darmflora synthetisiert. Die aktive Form ist das Difarnesyl-Naphtochinon, das die y-Carboxylierung von Glut· amylrestender Gerinnungfaktoren II, VII, IX und X katalysiert, und somit essenziell für eine funktionierende Blutgerinnung ist. Ein Mangel an Vitamin K führt daher zu Blutungen, und kann Folge sein von Malabsorptionssyndromen, Lebererkrankungen (Vitamin K wird in der Leber gespeichert) und der Einnahme von Vitamin-K-Antagonisten (=Cumarine). Besonders gefährdet sind auch Neugeborene, die noch keine ausreichend funktionsfähige Darmflora besitzen und daher nach Geburt eine Vitamin-K-Prophylaxe erhalten.
0
Ht 1 H ~
Retinol
17
monen auf. Inzwischen ist man sogar soweit, dass man die aktive Form des Vitamin D, das I ,25-Dehydroxycholecalciferol {= Kalzitriol), eher zu den Hormonen zählt als zu den Vitaminen. Man hat es ursprünglich als Vitamin klassifiziert, da man davon ausging, dass das endogen gebildete Cholecalciferol, dessen Synthese UV-Licht-abhängig ist, nicht ausreicht und man es deshalb zusätzlich über die Nahrung aufnehmen muss. Inzwischen kommt man aber immer mehr von der Vorstellung ab. Deshalb besprechen wir Biosynthese, Wirkungen und Mangelerscheinungen ausführlicher in Kapitel86.
NADH + H (l)
~NAD0 ~
I
Tocopherol (VitaminE) Das Tocopherol wirkt antioxidantisch und dient dem Schutz von ungesättigten Fettsäuren, Vitamin A und Thiolgruppen vor Oxidation, wobei es selbst oxidiert wird. Ein Mangel an VitaminE zieht eherunspezifische Symptome mit sich. Bei schwerem Mangel kann es zu Störungen der neuromuskulären Übertragung kommen.
Retina I
Dehydrogenase ------
16
~
'oH
I Abb. 1: Reversible Umwandlung von Retinol zu Retinal
I Abb. 2: Vitamin K
Vitamine II Wasserlö sliche Vitamine Werden mehr wasserlösliche Vitamine zugeführt als benötigt, so werden die überschüssigen Vitamine über die Niere ausgeschieden. Es kann also nicht zu einer Hypervitaminose kommen.
Thiamin (Vitamin B1) Thiamin besteht aus einem Pyrimidinund einem Thiazolring, und wird in der Leber in seine aktive Form, dem Th iaminpyrophosphat (TPP), überführt. Es ist als Coenzym an dehydrierenden Decarboxylierungen von a·Ketosäuren (Pyruvat-Dehydrogenase, a-Ketoglutarat-Dehydrogenase) und an der Transketolase-Reaktion des Pentosepho spha twegs beteiligt. Ein Vitami n-B1-Mangel kann zum BeriBeri-Syndrom führen, das durch neurologische Störungen, Herzinsuffi zienz und Ödeme gekennzeichnet ist Bei chronischem Alkoholabusus kommt es häufig zu Thiamin-Mangel, welcher im schlimmsten Fall in einer WernickeEnzephalopathie münden kann, bei der die Patienten unter schwerwiegen· den neurologischen und psychiatrisc hen Symptomen leiden.
Vitamin 82-Komplex Die im Folgenden beschriebenen Vitamine kann man zum Vitamin-8 2 Komplex zusammenfassen: Riboflavin: Das Riboflavin ist Bestandteil der für zahlreiche Reaktionen wichtigen Flavinocoenzyme FMN (Flavinmononukleotid) und FAD (Flavin adenindinukleotid). FMN wirkt als Wasserstoffüberträger in der Atmungskette und FAD ist an Reaktionen der ß-Oxidation , des Purinbasen-Abbaus, des Citratzyklus, sowie an der Pyruvatdehydrogenase-Reaktion beteiligt. Nikotin(sä ure)amid: Das Nikotin amid ist Baustein der beid en wichtigen wasserstoffübertragenden Coenzyme NAD+ und NADP+. Diese sind Reaktionspartner in bedeutend en Redoxreaktionen, u. a. des Citratzyklus, der ß-Oxidation und anderer Stoffwechselwege. Der Körper kann Nikotinam id aus der essentiellen Aminosäur e Tryptophan
herstellen, was zur Folge hat, dass das Mangel-Syndrom Pellagra, meis t erst bei einem kombinierten Tryptophan und Nikotinamid -Mangel auftri tt. Dieses ist gekennzeichnet durch "die drei Os" : Demen z, Dermatitis und Diarrhö. Biotin: Biotin ist Coen zym aller Carb· oxylierungs -Reaktion en. Durch ATPabhängige Bindung einer C0 2-Gruppe entsteht das biologisch aktive Carboxybiotin, das nun die Carboxyl -Gruppe auf das jeweilige Substrat übertragen kann. Reaktionen, bei denen Biotin benötigt wird , sind die Acetyi-CoA-Carboxylas e, die Propionyl -CoA-Carboxylase und die Pyruvat-Ca rbo xylase. Biotin-Mangelerkrankungen kommen selten vor, da es auch von Darmbakterien gebild et wi rd, und äußern sich v. a. in Form von Dermatitiden, neurol ogisch en Symptomen und Haarausfall. Pantothensäure: Die Pantothensäure ist Baustein für Acylcarri erproteine der Fettsäuresynthese und für das Coenzym A. Letzteres ist in der Lage, mit anderen Stoffen energiereiche Thioesterbindungen einzugehen, wodurch diese akti· vierr werden. Der wichtigste Thioester ist das Acetyi-CoA, we lches Endprodukt des Kohlenhydrat-, Fett· und Aminosäurestoffwechsels ist. Beim extrem seltenen Pantothensäuremange l ist v. a. die Pyruvatdehyd rogenase- Reaktion betroffen, da diese einen besonders hohen CoA-SH-Bedarf hat. Es kommt zum Wac hstumssti llstand , zur Ergrauung der Haare und zum " Burning fee t" · Syndrom . Folsäure: Die biologisch aktive Form der Folsäure (I Abb. 3) ist die Tetrahydrofol säure (TH 4, THF), die für Übertragungen von Cl -Resten {Methyl -, Hydroxyl-, Formyl- und Formiat-Reste) notwendig ist. Solche Übertragun gen
:x :r N N
I
I
~
H2N
N
~
N
:H
Pyridoxin (Vi ta min 8 6 ) Das Pyridoxin {= Pyridoxol), dessen entsprechendes Aldehyd (Pyridoxal) und das Amin (Pyridoxamin ) können ineinander überführt we rd en . Aktiv ist das Vitamin ß0 nach ATP-abhängiger Phosphoryli erung zum Pyridoxa lphosphat {PALP), welches ein wic htiges Coenzym des Aminosäurenstoffwechsels darstellt und die Bildung von biogenen Amin en und a -Ketosäuren aus Aminosäuren erl aubt. Außerdem ist es an der Häm·Symhese beteiligt, da das PALP Cofaktor der 8-AminolävulinsäureSynthetase ist. Das erklärt, wieso ein Pyridoxin-Mangel zu einer hypochromen Anämie führ t. Cobalamin (Vitamin
Bd
Methylcobalamin und Adenosylcobalamin sind die beiden Formen, in denen obalamin seine Fu nk tion als Coenzvrn au sübt. Für drei Reaktionen wird das Vitamin B12 benötigt: ~ Syn these von Methion in aus Homocystein durch Übertragung einer Methylgruppe, ~ Umlagerung von Methylmalonyi-CoA zu Succinyi-Co A: Methylmalonyi-CoA entsteht beim Abbau von Propionsäure die wiederum beim Abbau ungerader ' Fettsäuren gebildet wird . Das entstande-
0 ;
COOH
I : 1- fo~ -C11:' N- CH CH2 ~N I :,: HI CH2 :,: I :
:
CH
'
:
'
I
: :
Pteridinres t
fi nden u. a. bei 1\eaklionen der Purin und Pyrim id inbiosynthese und des Amino äuresroffwechsels statt, und ein Mangel an Folsä ure macht sich durch die Störun g der Nukleo tid ·ßiosynthese in erster Linie an Geweben mit hohen Zellteilungs raten, wie dem Knochenmark, bemerkba r. Es kann zur megalo blastären Anämi e, zur Leuko- und Thrombopenie od er auch zu Gastritiden, Dermatitid en und and eren Symptomen kommen .
:
p-Aminobe nzosäure
2
COOH Glutaminsäure I Abb. 3: Fo l äure
--------------------------------~-
Gru ndlagen
ne Succinyl-CoA kann nun in den Citratzyklus eingeschleust werden. ...,. Umlagerung von a-Leucin zu ß-Leucin.
Das Cobalamln Ist eng mit der Folsäure verstrickt Bei der Übertragung der Methylgruppe auf das Homocysteln wird Methyltetrahydrofolsäure zu aktiver Tetrahydrofolsäure regeneriert. Ein Cobalaminmangel führt somit iiber lingere Zeit auch zum Mangel an aktiver Folsäure, was wiederum zu einer rnegaloblastiren Animle führt. Ist diese ursprOngllch auf Cobalamln-Mangel zurückzuführen; spricht man von einer pctmlzlösen Anämie.
Eine weitere Folge eines Vitamin B12Mangels kann eine funikuläre Myelose sein, eine Degeneration der Hinterund Seitenstränge des Rückenmarks.
-~--~~~
18
I
Antivitamine
Therapie. Sulfonamide hemmen die Folsäuresynthese in Bakterien, Trimeln der Klinik werden häufig Vitaminthoprim und Aminopterin hemmen die analoga, sog. Antivitamine, eingesetzt. bakterielle Dihydrofolat-Reduktase Das sind Stoffe, die strukturelle Ähnlich- (I Abb. 4). Sie sind bakteriostatisch keiten zu Vitaminen aufweisen, aber wirkende Antibiotika. keine biologische Wirkung entfalten. ,.,.. Vitamin-K-Antagonisten: CumaEs kommt zu einer kompetitiven Hemrinderivate wie Marcumar®hemmen mung. Die wichtigsten Antivitamine Vitamin K kompetitiv. Dadurch kommt sind: es zu einer Gerinnungsstörung, die erst einsetzt, nachdem die noch vor,.,.. Folsäureantagonisten: Es gibt in handenen Gerinnungsfaktoren verder Klinik zwei Einsatzorte für Folsäure- braucht sind. Daher wirken Cumarine inhibitoren. Zum einen kommen sie erst nach ca. 3- 4 Tagen. Eingesetzt als Zytostatika in der Tumortherapie werden Vitamin-K-Antagonisten zur zum Einsatz. Methotrexat hemmt die Infarkt- und Thrombosepro phylaxe. Bildung von THF, wodurch es zur StöZur Kontrolle der Dosierung verwendet rung der DNA-Synthese kommt und die man den INR-Wert (International NorZellteilung besonders bei schnell wach- malized Ratio] oder den etwas veraltesenden Tumoren beeinträchtigt wird. ten Quick-Wert. Einer Überdosierung Das zweite Einsatzgebiet für Folsäurekann mit Vitamin-K-Gabe entgegen antagonisten ist die antibakterielle gewirkt werden.
NADPH + HCll
Folsäure
~
NADPCll
1 }
~
NADPH + He
7,8-Dihydrofolsäure
~
NADPe
r} I
~
5,6,7,8-Tetrahy drofolat
I
Folatreduktase
Ascorbinsäure (Vitamin C) Neben ihrer stark reduzierenden Wirkung, durch die sie Hämoglobin, verschiedene Enzyme und Coenzyme vor Oxidation schützt, besitzt die Ascorbinsäure außerdem selbst coenzymatische Fähigkeiten. Sie ist u. a. am Aufbau von Kollagen, an der Noradrenalin-Synthese sowie an der Bildung von Tetrahydro· folat (THF) aus Folsäure beteiligt. Eine Hypovitaminose führt zur Mangelerkrankung Skorbut, bei der die Störung der Bindegewebssynthese im Vordergrund steht, was zu einer allgemeinen Blutungsneigung, Zahnausfall und verzögerter Wundheilung führt. Ein Ascorbinsäure-Mange l geht nicht selten mit einem Eisenmangel einher, da Vitamin C das dreiwertige Eisen aus der Nahrung in das besser resorbierbare Fe 2+ reduziert.
19
Dihydro7
duktase
Hemmung durch Folsäureantagonisten I Abb. 4: Wirkprinzip der Folsäureantagonisten
Zusammenfassung X Bei den Vitaminen kann man wasserlösliche von fettlöslichen unterscheiden. Zu den fettlöslichen zählt man die Vitamine A, D, E und K ("EDEKA"), die übrigen sind wasserlöslich. X Hypovitaminosen treten insgesamt selten auf und sind bei uns meist Folge
von Absorptionsstörungen und seltener von Mangelernährung. X Vitamine nehmen verschiedenste Aufgaben wahr, die meisten von ihnen
sind aber als Coenzyme an Reaktionen beteiligt. X Drei Anämieformen können bei Vitaminmangel vorkommen: Mangel an
Pyridoxalphosphal führt zur hypochromen Anämie, Folsäuremangel zu einer megaloblastären Anämie und Cobalaminmangel zur perniziösen Anämie. Die Formen sollte man nicht durcheinanderbringen! X Antivitamine sind Vitaminanaloga (z. B. Folsäureantagonisten und VitaminK-Antagonisten), die Vitamine kompetitiv hemmen, und deren Effekte im klinischen Alltag genutzt werden.
Säure-Basen-Haushalt Unter dem Säure-Basen-Haushal t versteht man versch iedene Regelmechanismen des Körpers, die dafür sorgen , dass der pH-Bereich, also die Protonenkonze nuation im Extra zellulärraum in einem gewissen Bereich gehalten wird. Au ßerhalb dieses Bereich s (bei Schwankungen von einem Wert ab 0,3) könnten viele Enzyme nicht arbei ten und wir könn te n nicht überleben.
Puffersysteme In unserem Blut gibt es mehrere Puffersysteme, die dafür zuständig sind, den pH -Wert in unserem Blut uotz ein er Änderung der Protonenkonzentration konstant zu halten (I Tab. 1). Das Prinzip ist bei allen diesen System en ähnlich. Ein e Kom-
bination aus einer Säure und der dazugehörigen Base
nimmt Protonen auf, wenn deren Konzentration steigt und somit der pH-Wert fällt. Bei sinkend er Protonenkonzentration, also einer drohenden Alkalose gibt das System Protonen ab. Puffersysteme bestehen stets aus einer schwach en Säure und der zugehörigen Base. Doch nun zu den versch iedenen System en, die im menschlichen Körper eine Konstanthaltung des pH-Werts ermögli -
Bei einem Überschuss an Prowne n im Blut wird das Gleich gewicht der Rea ktion nach links, also auf die Seite von Koh len stoffdiox id und Wasser verschoben, die Pro ton en werde n gepufferr und der pH-Wert bl eibt konstant ansratr zu sinken Das entstehende co2wird abgeatmet, es kommt ZUeiner . Hyperventi lalion Bei einer Verschiebung des Blut-pH -Werts in die andere also die alka lische Richtun g wird. der Protonenmange l a~sge. gl;chen , tndem d;e Reakuo n m d;e and ere Ri chtu ng abläuft . Das Gleichgewicht wird au f die rech te Seite verschoben und die Zahl der Protonen im Blut erhöh t. Um die Kohlenstoffdioxid konzentration im Blut trotzdem konstant zu halten wird kom pensato risch die Atemfrequenz erniedrigt, es fin,det eine Hypove ntilation sta tt.
Hämoglobin Der rote Bl utfarbstoff Hämoglobin (Hb ) ist das zweitw ichtigs te Puffersystem in unserem Körper. Mit Sauerstoff beladenes Hämoglobin ist eine stärkere Säure als die desoxygenierte Form. ln der oxygenierten Form kann das Hämoglobin also auch als Protonend onator fungi eren und einen alkalischen Blu t-pH -Wert ausgleichen. Bei einer drohend en Azidose Wird das Gleich gew icht des Hämoglobins auf die mi t Sauerstoff beladene Seite verschoben, es können Protonen aufgeno mmen werden.
Proteine
chen.
Bicarbonat Dieser Puffer ist das wichtigste System, um den Blut-pH-Wert im physiologischen Rahmen zu halten. Er übernimmt 65 % der gesamten Pufferkapazität des Bluts. C0 2 + H20 ~ H2C0 3 ~ HC03- + H+ Auf der einen Seite der von der Carboanhydrase angetriebenen Reaktionsgleichung sind Kohlend ioxid (C02 ) und Wasser (H 20). Diese reagieren über die Aufnahm e eines Protons (H +) zur flüchtigen Kohlensäure (H 2 C0 3 ), die sofort zu Bicarbonat (HC0 3- ) und einem Proton (H+) zerfällt.
Hierunt er versteh t man alle Plasmaproteine. Diese liegen beim physiologischen pH-Wert des Blu tes in deprotonierter Form vor. Bei einem Protonenanstieg im Blut, also bei sinken dem pH -Wert, werd en die Proteine protoniert - sie nehme n Protonen auf und der pH-Wert kann konstantgehalten werden.
Phosphat Dieser Puffer macht nur einen gerin gen Anteil der Cesamtpufferkapazität des Blutplasmas aus. Bei Protonenüberschuss wird das Gleichgewicht wiederum auf die Seite der Säure H2P0 4 , dem Dihydro gen-Phosphat verschoben, indem Protonen aufgenommen werden. Bei Protonenmangel werden diese abgegeb en, das Gleichgewicht verschiebt sich zur Seite des Hydrogenphosphats HPO/ .
Störungen des Säure-Basen-Haushalts
Puffersystem
Si ure
Base
Anteil am Geaamtpufferayatem
Bicarbonat
H,CO,
HCO,-
ca. 50%
Hämoglobin
HbO,
Hb-
ca. 30%
Proteine
Protein
Salz des Proteins
ca . 15%
HPO,'-
ca. 2%
Phosphal
I
H2P04
Tab . 1: Die verschieden en Puffersysteme des Blutes
Ein Überschuss oder ein Mangel an Protonen im Blut kann viele verschiedene Ursachen haben (I Tab. 2).
Protonenüberschuss: Azidose Von einer Azidose spricht man ab einem pH, der kl einer als 7,36 ist. Eine Protonenüberlastung des Körp rs kann ihre Ursache in der Nahrun g haben, so z. B. bei stark m Verzehr
Grundlagen
I
Blutgase
Ursache
Re spiratori sche
CO , ern iedrigt
Hyperventilati on
Alkalose
HCO; Ieicht erniedrigt
Kompensation Protonenzufuhr über die Niere
Re spiratorische
CO , leicht erhöht
Azidos e
HCO,· erhöht
Metabolis che
CO , erhöht
Erbrech en,
Al kalose
HCO,- Ieicht erhöht
Diuretika
Hypoventilation
Protoneneliminierung durch die Niere
Metabolisch e
CO, leicht erniedrigt
Diabetes mellitus,
Azido se
HCO,· erniedrigt
Lak tatazido se
Hypoventilation
Hyperventilation
20
I 21
Ketonkörper Acetessigsäure sowie 3-Hydroxy-Buttersäure. Diese liegen im Blut in saurer Form vor, geben Protonen ab, und es kommt zu einer sogenannten Ketoazidose. Res piratorisc he Azidose Bei einer alveolären Hypoventilation kommt es zu einem primären Anstieg des C02 • Ursachen für eine solche respirato· rische Azidose kann z. B. eine chronische Bronchitis (COPD) sein.
Tab. 2 : Übersicht über die Störungen des Säure-Ba se-Haushalts
Protonenmangel: Alkalose
von Lebensmitteln, die viel Säure enthalten, oder auch bei einer proteinreichen Ernährung. Schwefelhaltige Aminosäu· ren verursachen die Protonenbelastung. Die Säurebelastung durch die Nahrung kann der Körper jedoch zumeist über die Organe ausgleichen. Metabol ische Azidose Auf den verschiedenen Stoffwechselwegen kommt es zur Bildung von Protonen. Ein Überschuss kommt allerdings nur zustande, wenn die Stoffwechselprodukte nicht weiter abge· baut werden können. Mögliche Gründe hierfür können sein: lll> Laktat: Bei der Glykolyse (s. Kap. 54) kommt es unter anaeroben Bedingungen zur Bildung von Laktat, das ohne Sauerstoff nicht in Pyruvat umgewandelt werden kann. Anaerobe Bedingungen findet man beispielsweise bei Sprintern. Der Laktatspiegel steigt, und es kommt zu einer Protonenbelastung des Körpers. Man spricht von einer Laktatazidose. lll> Ketonkörper: Durch einen verstärkten Abbau von Fettsäuren (s. Kap. 68) kommt es zu einer Anreicherung des Acetyl-CoA im Blut. Dies kann durch längere Nahrungskarenz verursacht sein, aber auch durch die Stoffwechselkrankheit Diabetes mellitus (s. Kap. 94 und 96 ). Der Körper ist nicht in der Lage, das vermehrt anfallende Produkt im Citratzyklus abzubauen, und es kommt zu einer Umwand lung in die
Ab einer Erhöhung des pH-Werts des Bluts über einen Wert von 7,44 spricht man von einer Alkalose. Diese kann wiederum unterschiedliche Gründe haben, die sowohl durch den Stoffwechsel bedingt als auch respiratorisch sein können: Metabol ische Alkalose Hier liegt, meist aufgrund einer vermehrten Protonenausscheidung, eine erhöhte Bicarbonatkonzentration vor. Mögliche Ursachen: lll> Häufiges Erbrechen führt über einen Verlust von saurem Magensaft zu einem ProtonenmangeL lll> Die Einnahme von Diuretika (Medikamente, die die Ausscheidung über die Niere fördern) kann über einen Kaliummangel zu einer Alkalose führen.
Respiratorische Alkalose Eine respiratorische Alkalose kommt durch einen Abfall des C02 zustande. Dieser liegt bei einer alveolären Hyperventilation vor. Mögliche Ursachen für eine Hyperventilation sind: lll> Stimulation des Atemzentrums durch Medikamente, psychogene Ursachen, Fieber, Sepsis etc., lll> Sauerstoffmangel (Hypoxie) beispielsweise in großer Höhe. Dies führt zu einer Stimulation peripherer Chemorezeptoren und so zu einer Hyperventilation.
Zusammenfassung X Verschiedene Puffersysteme im menschlichen Blutplasma sind dafür
zustä ndig, den pH-Wert in einem physiologischen Ra hmen zu halten. Der optimale pH-Wert des Bluts liegt bei 7,41. X Der wichtigste Puffer ist das Bicarbonat, ein offenes Puffersystem,
das mit der Atmung in Verbindung steht. • Eine Azidose entsteht bei einem Protonenüberschuss, eine Alkalose bei einem ProtonenmangeL Beide können sowohl respiratorische als auch metabolische Ursachen haben. Bis zu einem gewissen Ausmaß können diese Störungen des Säure-Base-Haushalts über die Puffersysteme oder die Atmung kompensiert werden.
Aminos äuren und Proteine 24 26 28 30
Aminosäuren Peptide und Proteine Aminosäure- und Proteinmetabolismus I Aminosäure- und Proteinmetabolismus II
Genetik 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Stoffwechsel der Nukleotide I Stoffwechsel der Nukleotide II Nukleinsäuren, Desoxyribonukleinsäure (DNA) Replikation der DNA Transkription Translation Prozessierung und Zielsteuerung von Proteinen Regulation von Zellwachstum und Genexpression DNA-Schäden, Reparatur und Onkogenese Gentechnologie
Kohlenh ydratsto ffwechs el 52 54 56 58 60
Kohlenhydrate Glykolyse Glukoneogenese Glykogenstoffwechsel Pentosephosphatweg
Lipidsto ffwechs el 62 64 66 68 70 72 74
Fettsäuren und Lipide I Fettsäuren und Lipide II Biosynthese der Fettsäuren und Triacylglycerine Abbau der Neutralfette und Fettsäuren Ketonkörper Cholesterin Lipoproteine
Energie gewinnu ng 76 78
Pyruvat- Dehydrogenase- Reaktion und Citratzyklus Atmungskette und AlP-Synthese
Hormon e und Zytokine 80 Grundlagen der interzellulären Kommunikation 82 Hypothalamus-hypophysäres System 84 Schilddrüsenhormone 86 Regulation des Kalzium- und Phosphathaushalts 88 Hormone des Nebennierenmarks: Adrenalin und Noradrenalin 90 Hormone der Nebennierenrinde I 92 Hormone der Nebennierenrinde II 94 Hormone der Bauchspeicheld rüse I 96 Hormone der Bauchspeicheldrüse II 98 Eicosanoide und Zytokine
Immuns ystem 100 102 104 106 108 110
Grundlagen Zellen des Immunsystems Humorale Abwehr I Humorale Abwehr II Antigene Rolle des Immunsystems in der Klinik
Blut 112 114 116 118 120
Grundlagen Hämoglobin I Hämoglobin II Erythrozyten Blutstillung und Gerinnung
Spezielle Biochem ie der verschie denen Organe 122 124 126 128 130 132 134
Leber Niere Verdauungsorgane I Verdauungsorgane II Das Muskelgewebe Das Nervensystem Das Binde- und Stützgewebe
Aminosäuren Aminosäuren sind Moleküle, die zwei funktionelle Gruppen besitzen: eine Carboxylgruppe (COOH) und eine Aminogruppe (NH 2). Man unterscheidet zwei Arten von Am inosäuren: ..". Proteinogene Aminosäuren, di e
die Bausteine der Proteine sind, und ..". Nicht-proteinogene Aminosäuren,
die andere Aufgaben im Körper übernehmen. Beispiele fü r Letztere sind Ornithin und Citrullin, die uns im Harnstoffzyklus wieder begegnen werden, sowie y-Am inobuttersäure (= GABA ), die als Transmitter im ZNS fungiert In diesem Kapitel werden wir uns vorwiegend mit den proteinogenen Aminosäuren beschäftigen.
staben bzw. Ein-Buchstaben-Codes gebräuchl ich si nd. Alle proteinogenen Aminosluren sind a-l-Amlnosluren mit einer typlachen Struktur: Am a-C-Atom sind eine Aminopppe, eine Carboxylgruppe, ein Wasserstoff, und ein Rest &ebunden,in dem sich die verschiedenen Aminosluren unterscheiden.
Einteilung
Man kann die proteinogenen Aminosäuren in aliphatische, aromatische und heterozyklisc he Aminosä uren ein teilen. Bei den aliphatischen Aminosä uren unterscheidet man außerdem, ob diese neutral oder gelad en (sauer oder basisch) sind.
Proteinogene Aminosäuren
Aliphatische Am inosäuren Als aliphatisch bezeichnet man Aminosäuren, die eine Kettenstruktur besitzen. Zu den neutralen, aliphatisc hen Aminosäuren gehören Glycin [Gly), Alanin [Ala), Serin (Ser), Threonin [Thr), Valin (Val), Leuein (Leu) und [Ile), sowie die schwefelhal tiIsoleuein Struktur gen Aminosäuren Methionin (Met), Alle proteinogenen Aminosäuren sind Cystein (Cys) und das Cystin [Cyseine weisen Cys), das entsteht, wenn sich zwei a -L-Aminosäuren und ähnlic he Struktur mit einer Aminosäure- Moleküle Cystein über eine Disulfidbrücke miteinander verbinden. Fern er gruppe auf, wie sie in I Abbildu ng 1 zählt man Asparagin (Asn) und Glutadargestellt ist. Aus der Nomenklatur ist herauszulesen, min (Gin) zu den ungelad enen aliphatischen Aminosäuren. Diese stellen dass sie alle die Aminogruppe (N H2 ) an dem a -Kohlenstoff tragen und dass die- allerdings nur die zwei Säureamide der se links vom a-C-Atom steht [L-lsomer) . sauren Aminosäuren Aspartat [Asp) und Glutamat (Glu) dar, weshalb man Bei D-Aminosäuren dagegen würde die in der Liste der 20 Aminosäuren sie . NH2-Gruppe rechts stehen (D-Isomer) extra dazuzählt Sie tragen anstelnicht Diese Unterscheidung ergibt sich dazusätzlichen Carboxylgruppe von der le durch, dass das a -Kohlenstoffatom ein Aspartat und Glutamat eine CarboxyChiralitätszentrum bildet, an dem vier amidgruppe. Neben den beiden sau ren unterschiedliche Substituenten gebunAminosäuren, gibt es auch basische den sind. Eine Ausnahme stellt das aliphatische Am inosäuren, die mehr als Glycin dar, das als Rest nur ein Wassereine NH 2-Gruppe tragen. Dazu gehören stoffatom trägt das Arginin (Arg), Lysin (Lys) und Weiterhin sollte man wissen , dass für Hydroxylysin (Hyl). jede proteinogene Aminosäure auch Abkürzungen in Form eines Drei-BuchAromatische Aminosäuren Diese enthalten in ihrer Struktur einen aromatischen Ring. Die zwei Vertreter COOH I di eser Gruppe sind das Phenylalanin H2 N-C-H I Abb. 1: Struktur der I (Phe) und das Tyrosin [Tyr) . R proteinogenen Aminosäu ren Von den über 100 vorkommend en Aminosäuren werden nur 20 (bzw. 21 mit der seltenen Aminosäure Selenocystein) für den Aufbau von Proteinen verwendet
Heteroz yklische Am inosäuren An der Ri ngbildung heterozyklischer Aminosäuren sind neben dem Kohlen stoff noch andere Elemen te beteiligt. Zu ihnen zählt ma n das Histidin (H is) welches eine Imid azotgruppe enthält ' das lndolgruppe- haltige Tryptophan ' [Trp), sowie das Prolin (Pro) . Prolin nimmt insgesamt eine Sonderstell ung bei den Aminosäu ren ein, da es eigentlic h eine lminosäu re ist. Es bildet zwischen der a -Aminogruppe und seiner Seitenkette einen Ri ng aus, wodu rch d ie Amidgruppe verdeckt erscheint. Dieser Pyrrolidi nring wirkt sich auf die rä umliche Stru ktur von Prolin-haltigen Proteinen und Peptiden aus. Das Selenocystein, das erst vor einigen Jahren entdeckt word en ist, kommt nicht in freier Form vor, sondern nur als Bestandteil seh r weniger Proteine wie z. 8. der Glutathion-Peroxidase ' oder der Thyroxin-Deiodase. Deshalb ist es normalerweise nicht in der Liste proteinogener Aminosäuren mit aufgeführt. Eine Übersicht über die 20 proteinogenen Aminosäuren gibt I Abbildung 2. Eigenschaften
Essenzielle und nicht-essenzielle Aminosäuren Nicht alle proteinogenen Aminosäuren kann der Körper selbst synthetisieren. Acht von ihnen müssen mit der Nahrung aufgenommen werden und sind fo lglich essentiell. Andere wiederum sind nur in bestimmten Situationen essenziell, so sind beispielsweise Arginin und Histidin im Säuglingsalter essenzielL
Wasse rlöslichkeit Ob eine Aminosä ure wasser-oder fettlöslich ist, hängt im Wesentlichen von ihrer Seitenkette ab. Hydroph il sind vor allem Aminosäuren, die in ihrer Seitenkette Sti ckstoff- oder Sauerstoffa to me
Aminosäuren und Proteine
[UNPOIARl
cooH 3N'-~- H I H
cooH 3 N•-~- H
cooH3N'-~ - H
I
I
CH-CHJ
THz
CH2
Ampholytc harakter de r Aminosäuren
CHJ
Aminosäuren sind Ampholyte, d. h. sie können Protonen sowohl aufnehmen als auch abgeben. Sie besitzen diese Eigenschaft, weil sie sowohl eine basische Aminogruppe als auch eine saure Carboxylgruppe enthalten. Im pH-Bereich von ca. 5-8, und damit auch bei physiologischem pH (ca. 7,4], liegen die neutralen Aminosäuren als Zwitterionen vor, d. h. die Carboxylgruppe liegt als Anion vor (COO-] und kann ein H+ aufnehmen (Baseneigenschaft) und die Aminogruppe liegt als Kation vor (N H/ ] und kann ein H+ abgeben (Säureeigenschaft]. In einer sauren Lösung halten beide funktionelle Gruppen ihre Protonen (COOH und NH 3 ' ), während sie in einer basischen Lösung beide deprotoniert (als COO- und NH 2 ] vorliegen.
I
Valin
I
Leuein
Isoleuein
coo-
coocoo- H3N•- ~I -H
I
CHz
CH-OH
OH
CH3
I
Serin
I
Threonin
CH z
cooHJN' - t - H I
CHz
I
SH
Cysl ein
CHz
I s I
I C=O I
I I C=O I
Asparagin
Glutamin
I
CHJ
HJN• - t- H CHz
I CHz I CHz I
CHz
I CH z I CH 2
NH
CH2
C= NH
I I
I I
NHz
cooI
<~
coo-
Arginin
HJN'- t - H
coo-
I
CH z
HJN• - t - H
I
I
\\__ NH
CH2
CH 2
C=O
C=O
I I
NH z
Lysin
NH z
NH z
Methionin
HJN' - t - H
I
I
CHz
negat iv geladen
cooH3N• - t - H
CH 2
HJN' - t - H
I
CH2
positiv geladen
coo-
I
CH-CHJ
HJN' - t - H
I
im Überblick
I I
OH
OH
Histidin
Glutamat
Aspartat
Isoelektrischer Punkt
fAROMATJSCH]
cooH,N'-t- H I
cooH, N' - t - H I
6~
cooH ,N'-~- H
Bildet aufgr und seiner zy klisch en Strukt ur eine Ausnahme:
I
~
~Nv
OH
Phenylalanin
lierung des Glutamats ist Vitamin-Kabhängig.
CH3
ungeladen
I
Abb . 2: Die 20 protein-
oge nen Aminosäuren
CH-C HJ
f POLAR l cooH 3N'-~- H H3 N•-~-H
I
CH3
I
Alanin
coo-
coo HJN• - t - H
I
I CH 3
Glycin
cooH3N•-~ - H
241 25
Tyrosin
Tryptophan
tragen, über die sie Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können: ~ Zu den hydrophilen Aminosäuren zählen Arginin, Lysin, Histidin, Glutamin, Asparagin, Serin, Threonin, Cystein, Aspartat und Glutamat. ~ Hydrophob sind Alanin, Glycin, Valin, Leucin, Isoleuein und Prolin, sowie Phenylalanin, Tryptophan und Tyrosin.
Prolin
Carboxylierungen vor. Das y-Carboxyglutamat ist hierfür ein klinisch-relevantes Beispiel, da es Bestandteil wichtiger Gerinnungsfaktoren ist. Diese Carboxy-
Der isoelektrische Punkt (IP] entspricht dem pH-Wert, bei dem eine Aminosäure ungeladen vorliegt. Bei neutralen Aminosäuren errechnet er sich aus dem Mittelwert der pK,-Werte der Aminound der Carboxylgruppe. Bei geladenen Aminosäuren muss man zur Berechnung des IP den Mittelwert der pK,Werte der beiden Carboxylgruppen (bei sauren Aminosäuren] bzw. der beiden Aminogruppen (bei basischen Aminosäuren] nehmen.
Zusammenfassung X Es gibt 20 (bzw. 21) proteinogene Aminosäuren. Dies sind Aminosäuren, die als Bausteine für Proteine dienen. X Die proteinogenen Aminosäuren sind allesamt a.-L-Aminosäuren und tra-
Chemische Modifikationen
gen an ihrem a.-C-Atom neben einer Carboxylgruppe, einer Aminogruppe
Nach abgeschlossener Proteinsynthese (Translation] werden die Aminosäurebausteine oft chemisch modifiziert. Dieser Prozess nennt sich posttranslationale Modifikation . Beispiele hierfür sind die Bildung von Hydroxylysin und Hydroxyprolin nach dem Einbau ins Kollagen. Die Mod ifikationen können gan z unterschiedlich ausse hen, so kommen auch Phosphorylierungen, Methylierungen, Sulfatierungen oder
und einem H-Atom, einen spezifischen Rest, durch den sich die Aminosäurenvoneinander unterscheiden. X Man unterscheidet aliphatische, aromatische und heterozyklische Aminosäuren, sowie essenzielle und nicht-essenzielle. Die essenziellen Aminosäuren sind: Threonin, Valin, Leucin, lsoleucln, Lysin, Methionin, Phenylalanin und Tryptophan. X Aminosäuren sind Ampholyte, d. h. sie liegen bei einem bestimmten pHWert (dem isoelektrischen Punkt) ungeladen als sog. Zwitterionen vor.
Peptide und Proteine Peptide und Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut, die durch Peptidbindungen miteinander verknüpft sind. So entstehenunverzweigte Ketten mit einer Länge von bis zu I 00 Aminosäuren (= Peptide) oder von über 100 Aminosäuren (=Proteine). Bei den Peptiden unterscheidet man noch mal zwischen Oligopeptiden(< 10 Aminosäuren) und Polypeptiden (10-1 00 Aminosäuren). Bindungstypen Die Peptidbindung
Die Peptidbindung wird auch als Säureamidbindungbezeichnet und entsteht bei Verknüpfung der a-Carboxylgruppe einer Aminosäure mit der a-Arninogruppe einer anderen Aminosäure. Die Knüpfung einer solchen Bindung geschieht unter Wasserabspaltung und benötigt Energie. Peptidbindungen sind planar, obwohl die Stickstoff- und Kohlenstoffatome nur über eine Einfachbindung miteinander verbunden sind, da Elektronenverschiebungen zwischen dem Sauerstoffatom der Carbonylgruppe und dem Stickstoffatom zu einer Einschränkung der Drehbarkeil der Bindung führen. Die Peptidbindung erhält dadurch einen sog. partiellen Doppelbindungscharakter. ln der Regel stehen die zwei a-Kohlenstoffatome der beiden verknüpften Aminosäuren in Bezug auf die Peptidbindung in der trans-Konfiguration zueinander (I Abb. I). Eine Ausnahme bilden Peptidbindungen, an denen die Aminosäure Prolin beteiligt ist. Aufgrund ihrer speziellen Struktur (s. Kap. 24) bevorzugen sie die Cis-Konfiguration. Weitere wichtige Bindungsformen in Proteinen
Proteine liegen im Raum nicht einfach nur als lange Ketten vor, sondern neh-
men verschiedene Raumstrukturen ein (s. u.). Diese kommen unter anderem durch verschiedene Bindungen und Wechselwirkungen zustande.
Primärstruktur .,.. Wasserstoffbrückenbindung:
Durch elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den Carbonylgruppen und den Wasserstoffatomen der NH 2Gruppen kommt es innerhalb der Aminosäurekette zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen. Die Bindungsenergie einer Einzelbindung ist zwar nicht so stark (nur ca. 1/ 10 einer kovalenten Bindung), aber aufgrund der großen Menge an H+-Brücken innerhalb eines Proteins ist die gesamte Bindungsenergie doch sehr groß.
Q)
·- -o Ec
.... w
J!l I
Sekundärstruktur
0
Q)
z
Die Sequenz der Aminosäuren eines Proteins bezeichnet man als Primärstruktur. Diese ist auf der DNA kodiert und damit genetisch festgelegt.
Die Sekundärstruktur der Proteine, die erstma ls von Pauling und Corey beschrieben worden ist, kommt durch Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen (s.o.) zustande. Inzwischen .,.. Hydrophobe Wechselwirkungen: wurde diese Theorie durch RöntgenDurch die energetisch günstigere Zusam- strukturanalyse bestätigt. Die wichtigsmenlagerung unpolarer, also hydroten Sekundärstrukturen sind die a-Helix: phober, Bestandteile kommt diese "Bin- und das ß-Faltblatt, untergeordnete dung" zustande. Rollen spielen die ß-Kehre und die .,.. Van der Waalsche-Kräfte: Dies sind eü-Schleife. Ein Protein kann auch über Wechselwirkungen zwischen zwei eng mehrere Strukturen in verschiedenen benachbarten hydrophoben Kohlenwas- Bereichen verfügen. serstoffketten, die sich infolge dessen gegenseitig anziehen. a-Helix: Durch Wasserstoffbrücken.,.. lonenbeziehungen: Zwischen bindungen zwischen den CO- und positiv und negativ geladenen Gruppen NH-Gruppen der Aminosäurenkette treten diese Wechselwirkungen auf. wird die schraubenförmige Windung .,.. Disulfidbrücken: Diese verbinden der a-Helix-Struktur stabilisiert. Die die Sulfhydrylgruppen (SH-Gruppen) Wasserstoffbrücken verbinden jeweils zweier Cysteinmoleküle (prominentes die CO-Gruppe einer Aminosäure mit Beispiel: Insulin). der NH-Gruppe der vierten auf sie folgenden Aminosäure und verlaufen nahezu parallel zur Achse der a-Helix. Räumliche Struktur Die Seitenketten der Aminosäuren der Proteine ragen nach außen (I Abb. 2). Pro WinWie oben schon erwähnt, bilden Protei- dung enthält die a-Helix 3,6 Aminone im Raum bestimmte Strukturen aus. säuren, die Ganghöhe beträgt 0,54 nm Während das "Rückgrat" bestehend Im Prinzip wären sowohl rechts- als · aus der Atomsequenz -N-C-C-N-C-Cauch linksgängige Helices möglich, (1 Abb. I) bei allen Peptiden und Proaber da die rechtsgängige a -Helix enerteinen gleich ist, sind die Seitenketten getisch günstiger ist, tritt diese Form der verschiedenen Aminosäuren variain der Natur bevorzugt auf. Mehrere bel. DieNH-und Carbonyl- Gruppen Helices können sich zusammenlagern und die Seitenketten der Aminosäuren und so Helices mit einer Länge von bis zu 100 nm bild en. Beispiele für solch können miteinander in Wechselwir-
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~
kungen treten und erklären das unterschiedliche räum liche Verhalten der verschiedenen Proteine.
3
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I Abb. 1: Peptidbindungen in einer Amin osä uren kett e 121
....
Aminosäuren und Proteine
verdrillte Helices sind das Keratin der Haare, Fibrin und Myosin. ß-Faltblatt: Bei dieser Sekund ärstruktur sind zwei oder mehr Peptidketten durch Wasserstoffbrück en miteinander verbunden. Im Gegensatz zur a-Helix sind die Ketten hier nicht gewund en, sondern gestrec kt. Die Wasserstoffbrücken führen zur Faltung der Aminosä ureketten in eine Zickzackform, die der Struktu r ihren Namen gab. Auch hier ragen die Seitenketten nach außen, dabei liegen sie abwechselnd ober- oder unterhalb der Faltblattebene. Man unterscheidet beim ß-Faltblatt zwischen einer parallelen und einer antiparallelen Struktur, je nachdem ob die einander gegenüberliegenden Peptidketten in die gleiche oder in entgegengesetzter Richtung verlaufen [bezogen auf das C- und das N-Ende ).
Ouartärstruktur. So nennt man beispielsweise Proteine mit zwei Aminosäureketten [also zwei Untereinheiten) dimere, und solche mit vier Untereinheiten, tetramere Proteine. Funktionen der Peptide und Proteine Peptide nehmen im Körper unterschiedlichste Funktionen wahr. Einige wichtige Hormone gehören zur Klasse der Peptide [TRH, CRH , ADH, ACTH, Insulin, Glukagon), sowie die Gewebshormone Bradykinin und Kallidin, und Glutathion, das für den Oxidationsschutz zuständig ist. Auch einige Antibiotika (z. B. Penicillin) und Toxine [z. B. a -Amanitin) sind Peptide. Proteine haben vielfältige Funktionen:
Tertiärstruktur
Bei der Tertiärstruktur lagern sich die verschiedenen Sekundärstrukturen [a-Helix-, ß-Faltblatt- und Schleifenanteile) eines Proteins so zusammen, dass eine stabile räumliche Gesamtanordnung entsteht. Meistens kommt es hierbei zur Verlagerung der hyd rophoben Anteile ins Innere eines Proteins. Diese Struktur kommt durch verschiedene Wechselwirkungen zustande. Neben Wasserstoffbrück enbindungen und hydrophoben Wechselwirkungen sind auch Van-der-Waals-Kräfte und Disulfidbrücken an der Stabilisierung der Tertiärstruktur beteiligt. Oft haben Proteine mehrere Domänen mit z. T. unterschiedlichen Aufgaben . Diese Domänen entstehen bei der Faltung eines Proteins in mehrere abgrenzbare Bereiche.
26
I 27
~
Als Enzyme sind Proteine für die Katalyse von Stoffwechselprozessen zuständig. ~ Strukturproteine (z. B. Kollagen, Elastin, Keratin) stabilisieren Gewebsstrukturen. ~Aktin und Myosin sind kontraktile Proteine des Muskels, die die Muskelkontraktion und somit Bewegungsabläufe ermöglichen. ~ Membranprote ine wie die Na+/ K+ATPase oder der Insulinrezeptor nehmen Aufgaben wie Transport, Signaltransduktion, Zelladhäsion u.v.m. wahr. ~ Immunglobulin e, die für die Bindung von Antigenen zuständig sind, sind ebenfalls Proteine. ~ Transportproteine wie Transferrin und Albumin sind für den Transport diverser Substanzen im Blutplasma erforderlich. ~ Als Transkriptionsfaktoren oder Bausteine des Chromatins (Histone) spielen Proteine auch in Prozessen der Genetik eine wichtige Rolle. ~ Proteine sind als Puffersystem an der Regulation des Säure-Basen-Haushalts beteiligt.
R
.·
I
Abb. 2: a-Helix- (links) und ß-Faltblattstruktur (rechts)
[31
Zusammenfassung
Quartärstruk tur
• Peptide und Proteine sind Ketten aus Aminosäuren, die über Peptidbindungen miteinander verknüpft sind. Definitionsgemäß enthalten Peptide
Bei Proteinen, die aus mehreren Aminosäureketten bestehen, gibt es auch eine Ouartärstruktur. Die ein zelnen Aminosäureketten bilden Untereinheiten des Protei ns, die un tereinander in Wechselwirkung stehen und sich dadurch wiederum im Raum organisieren. Die räumliche Anordnun g dieser einzelnen Untereinheiten bezeichn et man als
bis zu 100 und Proteine über 100 Aminosäuren. • Proteine nehmen durch die Bildung von Bindungen und verschiedene Arten von Wechselwirkungen eine stabile räumliche Gestalt an. • Die räumliche Anordnung und Gestalt jedes Proteins ist gekennzeichnet durch dessen Primär-, Sekundär-, Tertiär- und ggf. Quartärstruktur. • a.-Helix und ß-Faltblatt sind die wichtigsten Sekundärstrukturen der Proteine.
--=
Aminosäure- und Proteinmetabolismus I Proteine sind aufgrund ihrer zahlreichen, lebensnotwendigen Funktionen für den Organismus unverzichtbar. Sie sind aus Aminosäuren aufgebaut und werden in den Ribosomen synthetisiert (s. Kap. 4). Je nach Angebot (z. B. über Nahrungsproteine) und Bedarf werden Proteine aus Aminosäuren synthetisiert oder zu Aminosäuren abgebaut. So werden im Hungerzustand beispielsweise vermehrt Muskelproteine abgebaut und die frei werdenden Aminosäuren zur Energiegewinnung verwendet. Die beim Abbau von Nahrungs- oder Muskelproteinen frei werdenden Aminosä uren werden anschließend zur Leber, dem Hauptort des AminosäuremetaboJismus, transportiert. Dort werden diese, je nach Bedarf, entweder zur Proteinsynthese verwendet oder abgebaut.
Proteinabbau
Die Spaltung der Proteine wird von speziellen Enzymen, den sog. Proteasen katalysiert. Bei diesen untersc heidet man zwischen Endoproteasen, die Peptidbindungen innerhalb einer Pro· teinkette spalten, und Exoproteasen, durch die Aminosäuren am Amino- oder am Carboxylterminus abgespalten werden. Intrazellulär läuft der Proteinabbau in den Lysosomen und Proteasomen ab. In den Lysosomen werden vorwiegend intrazelluläre oder extrazelluläre, durc h Endozytose aufgenommene Partikel abgebaut, während Proteasomen für
die Vernichtung feh lerhafter, in der Zelle synthetisierter Proteine zuständig sind. Aminosäureabbau-Teil 1: Abbau der Aminogruppe
Im ersten Schritt des Aminosä ureabbaus wird die Am inogruppe abgespalten, wo· durch Ammoniak (NH 3 ) entsteht. Das Ammoniak ist für unsere Ze llen toxisch und muss in der Leber im Harnstoffzyk· Jus eliminiert wird.
+
I I
CH2
I CH2 I cooGiutamat
Transaminierunge n dienen neben dem Aminosäurea bbau auch der Synthese von neuen, nicht-esse nziellen Aminosäuren, wie Alanin aus Pyruvat, Serin aus Hydroxypyruva t, Asparaginsäure aus Oxalacetat oder Glutaminsä ure aus a· Ketoglutara t.
Transaminierung, Desaminierung, Decarboxylierung
Der Abbau von Aminosäuren läuft im Wesentlichen über drei Rea ktionstypen ab. Transaminierung Ganz allgemein versteht man unter einer Transaminierun g die Übertragung der a-Aminogruppe einer Ami nosä ure auf eine a-Ketosäure. Dabei wird aus der a-Ketosäure ihre a-Am inosäure und aus der a-Aminosäure ihre a -Ketosäure: AS I + Ketosäure II ~ Ketosäure I + AS II. Meistens wird die a·Aminosäure auf a -Ketoglutarat übertragen, wodurch Glutamat entsteht. Das Glutamat kann anschließend oxidativ desaminiert werden, wobei Ammoniak abgespalten wird. Diese Übertragungen werden durch Am inotransferasen katalysiert. Die beiden wichtigsten Vertreter si nd die Aspartat-Aminotransferase (ASAT) und die Alanin-Aminotransferase (ALAT).
Desaminierung Oxidative Desaminierung Bei der oxidativen Desaminierung wird die Aminogruppe einer Am inosäure indirekt abgespalten. Hierbei wird die Aminosäure zunächst zu einer Iminosäure dehydriert und ansch ließend hydrolysiert (+ H20 ). Es entstehen eine a-Ketosäure und ein Molekül Ammoniak. Oxidative Desaminierungen benötigen als Coenzyme NAD+oder NADP•, auf die die bei de r Dehydratation frei we rdenden Wasserstoffe übertragen werden. Die oxidative Desa mini erung von Glutamat zu a·Ketoglutarat und Ammoniak (I Abb. I ) hat von den oxidativen
.".. Die ASAT überträgt die a -Aminogruppe von Aspartat auf a ·Ketogl utarat, dabei entstehen Oxalacetat und Gluta· mat. Sie wird daher auch GlutamatOxalacetat-Transaminase (GOT) ge-
cooH3N- C- H
nannt: Aspartat + a-Ketoglutarat ~ Oxalacetat + Glutamat .".. Durch di e Übertragung de r o-Am ino gruppe vo n Alanin auf a· Ketoglu tarat en tstehen Pyruvat und Glutamat. Daher heißt die ALAT auch Glutamat·PyruvatTransaminase (GPT): Alanin+ a.-Ketoglutarat ~ Pyruvat + Glutamat
+
H2N=
cooI C I
cool C= O I
CH2
CH2
CH2
CH2
I
I coo-
a-lminoglutarat
I
I coo-
a-Ketoglutarat
L - - - - - - - -- -- - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - '
I
Abb . I : oxid ative Desa rnini erung
von Glutamat
Aminosäuren und Proteine
Desaminierungen die größte Bedeutung, da bei den meisten Transaminierungen Glutamat entsteht (s.o), das auf diese Weise weiter abgebaut wird. Das katalysierende Enzym ist die Glutamatdehydrogenase (GLDH), die in den Mitochondrien der Leber lokalisiert ist. Diese Reaktion ist zwar reversibel, allerdings stellt sich durch die Eliminierung des Ammoniaks in der Regel kein Gleichgewicht ein. GTP und ATP sind Hemmer der Glutamatdehydrogenase, GDP und ADP sind allosterische Aktivatoren. Eliminierende Desaminierung Unter der elimin ierenden Desaminierung versteht man die direkte Eliminie· rung der a -Aminogruppe durch pyridoxalabhängige Dehydratation. Da hierfür eine ß-Hydroxylgruppe Voraussetzung ist, können auf diese Weise nur Serin und Threonin abgebaut werden. So entsteht aus Serin Pyruvat, aus Threonin rx-Ketobutyrat.
Die Bildung von Harnstoff aus Ammoniak geschieht in fünf Schritten, von denen die ersten beiden in den Mitochondrien stattfinden, und die letzten drei im Zytosol der Leberzellen (I Abb. 2): ~ Bildung von Carbamoylphosphat durch die Carbamoylphosphatsynthetase I unter Spaltung von 2 Molekülen ATP. Diese Reaktion wird durch N-Acetyl-Glutamat allosterisch aktiviert. ~ Die Ornithin-Carbamoyi-Transferase katalysiert die Reaktion des Carbamoylphosphats mit Ornithin (= Trägermolekül), wobei unter Abspaltung eines Phosphats Citrullin entsteht. Dieses tritt ins Zytosol aus. ~ Die Kondensation von Citrullin mit Aspartat führt zur Bildung von Argininosuccinat, wobei zwei energiereiche Bindungen eines ATPs gespalten wer-
28 I 29
den müssen. Enzym ist die Argininosuccinatsyntheta se. ~ Die Argininosuccinase spaltet Argininosuccinat in Arginin und Fumarat. Das frei werdende Fumarat wird über Malat zu Oxalacetat umgewandelt, das entweder wieder zu Aspartat transaminiert, zu Glukose umgewandelt, oder in den Citratzyklus eingeschleust werden kann. .- Bei der Hydrolyse von Arginin durch die Arginase wird Isoharnstoff abgespalten. Dieses lagert sich spontan zu Harnstoff um. Das Ornithin wird wieder freigesetzt und steht somit wieder dem Harnstoffzyklus zur Verfügung.
Deca rboxyli e ru ng
Bei der Abspaltung der Carboxylgruppe einer Aminosäure(= Decarboxylierung) entsteht dessen biogenes Amin. Die biogenen Amine nehmen z. T. wichtige Funktionen wahr. So dient das biogene Amin des Glutamats, das y-Aminobutyrat (GABA) beispielsweise als Neurotransmitter, und das Histamin(= bio· genesAminvon Histidin) als Gewebshormon. Die biogenen Amine werden durch Aminooxidasen (Mono- oder Diaminooxidasen) weiter abgebaut.
Ir
~NH,
TH,-NH
f' CHo
2ADP + P,
I •
~ooc,c-'H II
3
H-CH Arg inin
H....-C.....cooArginino· succinat-Lyase
0
II
Fumarat
H;,N-c-®
Harnstoffzyklus
Das beim Abbau von Aminosäuren und Purinbasen entstehende Ammoniak (NH 3 bzw. NH/ , da das freie Ammoniak bei physiologischem pH.Wert hauptsächlich als Ammoniumion vorliegt) ist schon in geringen Dosen toxisch und muss daher aus dem Körper eliminiert werden. Dies geschieht in der Leber über die Umwandlung des Ammoniaks in Harnstoff, das nicht toxisch ist und gut über die Nieren ausgeschieden werden kann. Neben Ammoniak ist auch das Aspartat ein unmittelbarer Stickstofflieferant für den Harnstoffzyklus.
Carbamoyl· phosphal
coo-
NHo
~-NHi.tH I
)I
CHo-NH
I
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I
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IFumarase I
CHo
I
Argl~:+
SUCCinat
H-y-N-I:J
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coo-
r.
H-y-NH:J
coo-
Malat
Citrullln
AMP + P-P1+ H)O
p)~P,
a -Kalogluterat
•
Mitochondrium I Abb. 2: Der Harnstoffzyklus 121
Aspanal
Glutamat
~ ASAT
Malat-DH ~
Oxalacetat
Zytosol
Aminosäure- und Proteinmetabolismus II Aminosäureabbau -Teil 2: Abbau des Kohlenstoffgerüsts
letzten Kapitel kennen, zu Pyruvat transaminiert. IJI>- Serin und Threonin können durch die Serin- bzw. Theronin-Dehydratase Was bei dem Abbau der Aminosäuren mit der Aminogruppe geschieht, haben desaminiert und anschließend über wir im letzten Kapitel kennengelernt Aminoacrylat bzw. Aminoaceton zu Bei der Umwandlung des KohlenstoffPyruvat umgewandelt werden. An dieskeletts der verschiedenen Aminosäuren ser Desaminierung ist Pyridoxalphosentstehen eigentlich nur sieben unterphat (PALP) beteiligt. schiedliche Zwischenprodukte. Diese IJI>- Auch das Cystein wi rd über die sind entweder Substrate der Glukoneo- Zwischenstufe Aminoacrylat abgegenese oder der Ketonkörpersynthese baut. bzw. können in den Citratzyklus einIJI>- Glycin reagiert mit Tetrahyd rofolgeschleust werden. Aus diesem Grund säure zu Serin, das anschließend in unterscheidet man glukogene und Pyruvat überführt werden kann. ketogene Aminosäuren (I Tab. I): IJI>- Als glukogen bezeichnet man solche Aminosäuren, die zu Pyruvat, a·Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat oder Oxalacetat abgebaut werden, da deren Abbauprodukte für die Glukoneogenese verwendet werden können. IJI>- Die Abbauprodukte ketogener Aminosäuren, Acetyl-CoA und Acetoacetat können nicht zu Glukose umgewandelt werden. Sie dienen als Substrate der Ketonkörpersyn these.
Abbau zu Oxalacetat
Nur Aspartat und Asparagin werden zu Oxalacetat abgebaut. Durch Desaminierung entsteht aus Asparagin Aspartat, das anschließend durch Transaminierung durch die Aspartat-Transaminase in Oxalacetat überführt wird. Abbau zu a-Ketoglutarat
Abbau zu Pyruvat
Die fünf Aminosäuren Alanin, Cystein, Glycin, Serin und Threonin werden zu Pyruvat umgewandelt. Dies geschieht über folgende Mechanismen: IJI>- Alanin wird über die Alanin-Aminotransferase (ALAT), die wir schon vom
Klassifikation Glukogen
Ketogen
Glukogen und Ketogen
I
Der Abbau von Glutamin, Prolin, Arginin und Histidin führt zur Entste· hung von a-Ketoglutarat. Dabei läuft der Abbau aller vier Aminosäuren über die Bildung des Zwischenproduktes Glutamat, das anschließend zu seiner a-Ketosäure, dem a-Ketoglutarat transaminiert wird .
Aminosluren
Abbauprodukt
Arginin, Glutamat, Glutamin, Histidin, Prolin
a -Ketoglutaral
Alanin, Cyste1n, Glycin, Serin, Threonin, Tryptophan
Pyruvat
lsoleucin, Methionin, Va lin, Threonin
Succinyi-CoA
Phenylalanin, Tyrosin, Aspartat
Fumarat
Aspartat, Asparagin
Oxalacetat
Leucin, Lysin
Acetyi-CoA
Leuein
Acetoaceta t
lsoleucin, Phenylalanin, Tyrosin, Tryptophan
Acetyi-CoA, bzw. Acetoacetat
Tab. 1: Gluk ogene und ketogene Aminosäuren
Abbau zu Succinyi-CoA
Isoleucin, Methionin und Valin werden zu Succinyl-CoA abgebaut. Aus Isoleuein entsteht außerdem AcetyJ. CoA. Es ist damit nicht nur glukogen, sondern zusätzlich noch ketogen. Als Zwischenprodukte entsteht beim Abbau dieser Gruppe zunächst Propionyl-CoA das ATP-abhängig zu Methylmalonyi- ' CoA carboxyliert wird. Als Nächstes folgt die Vitamin 8 12-abhängige Umwand lung des Methylmalonyi-CoA zu Succinyl-CoA (I Abb. 3). Abbau von Phenylalanin und Tyrosin
Phenylalanin und Tyrosin sind sowohl glukogen als auch ketogen. Das Phenylalanin wird zunächst einmal zu Tyrosi n hydroxyliert, was durch die Phenylalaninhydroxylase katalysiert wird. Bei der Phenylketonurie, einer nicht seltenen Erbkrankheit, führt ein Defekt dieses Enzyms zu schweren Symptomen (s. u.). Anschließend wird das Tyrosin transaminiert und zu Fumarat und Acetaacetat abgebaut. Biosynthese der Aminosäuren
Nun noch ein paar Worte zur Biosynthese von Aminosäuren. Nur 12 der 20 (bzw. 21) proteinogenen Aminosäuren kann der Mensch selbst synthetisieren die übrigen sind essentiell und müsse~ über die Nahrung aufgenommen werden (s. Kap. 24) . Die Synthesewege der nicht-essentiellen Aminosäuren sind: IJI>- Durch reduktive Amidierung durch die Glutamatdehydrogenase entsteht aus a-Ketoglutarat Glutamat, das durch die Gl utamin-Synthetase zu Glutamin umgewandelt werde n kann . Auch Prolin und Arginin leiten sich vom Gluta. mat ab. IJI>- Alanin und Aspartat entstehen durch Transaminierung von Pyruvat und Oxalacetat. Aus Aspartat und NH 4 -.. entsteht Asparagin. .,._ Serin entsteht aus 3-Phosphoglycerat und ist wiederum Vorstufe für die Synthese von Glycin und Lysin.
Aminosäuren und Proteine
Methionin, lsoleucin. Valin
I
30
I 31
Ab~3:Abbauvon
Methionin, Valin und
Isoleuein
Valin
H
~
0
I II -ooc -C-C-S-CoA I
0 -
II
-ooC-CH 2 -CH 2 -C-S-CoA
CH 3
Propionyi-CoA
Methylmalonyi-CoA
..,. Phenylalanin (essentiell) wird durch die Phenylalaninhydroxylase in Tyrosin überführt. Die Assistenten des Aminosäurestoffwechsels Coenzym 8 12
Für die intramolekularen Umlagerungen bei der Umwandlung von Methylmalonyl-CoA zu Succinyl-CoA wird Coenzym B12benötigt, das sich vom Cobalamin (Vitamin Bd ableitet. Dieses dient außerdem als Coenzym bei der Umwandlung von Homocystein zu Methionin. Überträger von Ein-Kohlenstoff-Einheiten ..,. S-Adenosylmethionin (SAM): Das SAM überträgt Methylgruppen.
Es wird aus ATP und Methionin gebildet, wobei vom ATP ein Triphosphat abgespalten wird. Nach Übertragung der Methylgruppe zerfält SAM in Adenosin und Homocystein. Letzteres muss nun wieder zu Methionin remethyliert werden, dazu reagiert es in einer Vitamin-B1 2-abhängigen Reaktion mit N5Methyi-THF. Das Methionin steht nun wieder der Bildung von SAM zur Verfügung. SAM ist unter anderem an der Bildung von Adrenalin, Kreatin und Cholin beteiligt, sowie an der Entgiftung einiger Pharmaka. ..,. Tetrahydrofolsäure (THF, FH 4 ): Die Tetrahydrofolsäure ist ein wichtiger Überträger von CI-Einheiten unterschiedlicher Oxidationsstufen, wie Methyl-, Methylen- oder Formylgruppen. Sie leitet sich von der Folsä ure (Vit-B 2Komplex) ab und besteht aus Glutamat,
Succinyi-CoA
p-Aminobenzoesäure und einem substituierten Pteridin. Die Ein-KohlenstoffEinheiten binden an das N5- oder N10Atom der Tetrahydrofolsäure, dabei entstehen deren chemisch aktive Abkömmlinge N1o-Formyi-THF, NS,NIO_ Methylen-THF und N5-Methyi-THF. Das Methylen-THF beispielsweise erhält die Hydroxymethylgruppe vom Serin, das dabei zu Glycin umgewandelt wird. Wichtig ist die THF für die Purinbiosynthese, die Bildung von N-Formyi-Methionin-tRNA, die Umwandlung von Glycin in Serin und von Homocystein zu Methionin sowie für die Synthesen von Thymin und Cholin. Pathobiochemie: Phenylketonurie
Die Phenylketonurie (PKU) ist eine relativ häufige Stoffwechselerkrankung (1 : 7000 Neugeborene), die autosomalrezessiv vererbt wird. Bei den Patienten liegt ein Defekt der Phenylalaninhydroxylase vor, wodurch der Abbau von Phenylalanin zu Tyrosin gestört ist. Dies hat zur Folge, dass sich Phenylala-
nin im Körper anreichert und gleichzeitig ein Tyrosinmangel herrscht. Das Schädigende dabei ist aber vor allem, dass Phenylalanin statt zu Tyrosin zu Phenylpyruvat und dessen toxischen Abbauprodukten abgebaut wird. Diese beeinträchtigen die Myelinscheidenbildung in den Oligodendrozyten, was bei den betroffenen Kindern zu einer mangelnden geistigen Entwicklung führt. Um die Bildung der toxischen Substanzen zu verhindern, müssen die Neugeborenen eine strenge, phenylalaninarme und tyrosinreiche Diät einhalten, und zwar mindestens bis zum 12. Lebensjahr, bis die Myelinisierung abgeschlossen ist. Im Rahmen des Neugeborenenscreenings werden alle Kinder auf PKU untersucht, damit die Diät möglichst früh angefangen werden kann.
Zusammenfassung • Beim Abbau der Aminosäuren unterscheidet man den Abbau der Aminogruppevon dem des Kohlenstoffskeletts. • Zur Abspaltung der Aminogruppe gibt es drei Reaktionstypen: Transaminierung, Desaminierung und Decarboxylierung. • Bei der Abspaltung der Aminogruppe entsteht Ammoniak, das toxisch ist und in der Leber über den Harnstoffzyklus eliminiert werden muss. • Das verbleibende Kohlenstoffskelett kann zu verschiedenen Zwischenprodukten abgebaut werden. Wichtig ist hierbei die Unterscheidung zwischen glukogenen und ketogenen Aminosäuren.
---=
Stoffwechsel der Nukleotide I Nukleotide sind die Bausteine der Nukleinsäuren, aus denen wiederum die DNA und die RNA zusammengesetzt sind . Außerdem sind sie in manchen Coenzymen (z. B. Coenzym A, NADH, FADHz, SAM] enthalten und Bestand teile aktivierter Zucker (z. B. UDP-G lukose) oder Lipide (z. B. UDP-Cholin) . Auch in der Regulation der Proteinbiosynthese und als second messenger (cAMP, cGMP) bei der Wirkungsentfa ltung von Hormonen spielen die Nukleotide eine zentrale Rolle. Doch als Erstes ist es wichtig zu wissen, was Nukleotide überhaupt sind.
tid! Fehlt ihm das Phosphat, nennt man das Molekül Nukleosid (Adenosin, Guanosin, Uridin, Thymidin , Cytidin ). Die Phosphatgruppen machen die Nukleo· tide zu starken Säuren, dah er liegen sie in den Zellen als ihre Salze dissoziiert vor. Sie enden dann auf -at, Adenylat, Guanylat, Uri dylat, Thymidylat und Cytidylat. Gebräuchlicher ist aber die abkürzende Schreibweise (z. B. AMP, GMP usw. s. u.). Je nachdem, wie viele Phosphatgruppen die Nukleo tid e enthalten, hängt man die jeweilige Endung an (-Monophosphat, -Diphosphat, -Triphosphat). ll> Zucker (Ribose oder Desoxyribose)+
Aufbau der Nukleotide Ein Nukleotid besteht aus drei Komponenten: einer Base (Purin oder Pyrimidin), einem Zucker (Ribose oder Desoxyribose) und einer, zwei oder drei Phospha~ruppen(~onophospha~
-Diphosphat, -Triphosphat).
Base (Purin oder Pyrimidin) = Nukleosid ll> Nukleosid + I Phosphatgruppen = Nukleosidmonophosphat (z. B. AMP = Adenylat) ll> Nukleosid + 2 Phosphatgruppen = Nukleosiddiphosphat (z. B. ADP) ll> Nukleosid + 3 Phosphatgruppen = Nukleosidtriphosphat (z. B. ATP)
Der Zucker: Als Zucker enthält jedes Nukleotid eine Pentose, und zwar entweder Ribose (= Ribonukleotid) oder 2'-Desoxyribose (= Desoxyribonukleo-
I Abbildung 1 zeigt Aufbau und Bestandteile der Nukleotide samt deren Strukturformeln.
tid). Der Unterschied zwischen diesen beiden liegt lediglich im "Anhang" des C2'-Atom: Während die Ribose an dieser Stelle eine OH-Gruppe trägt, hat die Desoxyribose dort nur einen Wasserstoff. An der Pentose hängen sowohl die Base, und zwar N-glykosidisch am CI' -Atom, als auch die Phosphatgruppen (am C5'-Atom). Die Striche hinter den Zahlen bedeuten, dass damit die C-Atome des Zuckers gemeint sind. Bei der Durchnummerierung der Kohlenstoffatome der Base wird der Strich weggelassen, damit es zu keinen Verwechslungen kommt.
Die Nukleotide als Bausteine der DNA und RNA
Die Base: Als Basen stehen den Nukleoliden entweder Purine oder Pyrimidine zur Verfügung. Es gibt zwar einige
Basen mehr, aber es reicht vorerst, die fünf wichtigsten zu kennen: Diese sind die Purine Adenin und Guanin sowie die Pyrimidine Uracil, Cytosin und Thymin. Seltenere Basen kommen hauptsäch lich in der tRNA vor. Die Phosphatgruppen: Ein Nukleotid ohne Phosphatgruppe ist kein Nukleo-
man meist aus dem Kontext erfährt, um welche Art von Nukleotid es sich handelt. DNA und RNA sind aus den gleichen Purinbasen (Adenin, Guanin) aufgebaut, untersc heiden sich allerdings in der Zusa mmensetzung ihrer Pyrimidine: Während in der DNA die Pyritnidinbasen Thymin und Cytosin vorkommen, findet man in der RNA die Basen Uracil und Cytosin.
Stoffwechsel der Nukleotide
Der Nukleotidstoffwechsel ist sehr komplex, insbesondere die Synthese der Purin- und Pyrimidinbasen. Man unterscheidet hierbei die De-novo-Synthese von der Wiederverwertung anfallender Basen aus dem Nukleinsäurenabbau oder aus der Nahrung(= Salvage pathway). Fast jede menschliche Zelle ist zur Purin- und Pyrimidinsynthese befähigt. Beim Abbau der Basen in der Leber entsteht aus den Purinen Harnsäure, aus den Pyrimidinen ß-Aminosäuren. Purinbiosynthese
Bei der Purinbiosynthese entsteht kein einzelnes Purinmolekül, sondern das Purin wird aus kleinen Bausteinen di-
In der DNA liegen die Nukleotide als Desoxyribonukleotide vor, in der RNA als Ribonukleotide . Um die Zuckerkomponenten der Nukleotid e unterscheiden zu können, steht vor dem Nukleotid ein d für Desoxyribonukleotid, bzw. ein r für Ribonukleotid (z. B. dTMP, rTMP). Allerdings wird diese Schreibweise nicht oft verwendet, da NukleoUd
0
HNJYCH3 j
A .J
Thymin
Guanin
Adenin
N~ N Base
V ·H
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o -o-Qc -o-Lo-LoJ b- ~1
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o-
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/ Nukleosid
L...----:-;--;---:-;----'
-triphosphat
2·
Pentose
PhOsphatgruppe
-monophosphat -diphosphat
2 -0COH 0
H H
-OCOH, 0
H H
H
HO OH Ribose Zuckeranteil
I Abb . t : Aufbau eines Nukl eotid s
~
0
HO
H
H Desoxyribose
f~
Genetik
I
Abb. 2: Herkunft der Atome des Purinrings
[21
rekt an der Ribose des Nukleotids synthetisiert. Die Enzyme dafür befinden sich im Zytosol. Die De-novo-Biosynthese der Purine ist komplex, daher ist es sehr hilfreich, wenn man weiß, woher die Atome des Purins überhaupt stammen (I Abb_ 2). Schritte der Purinsynthese In mehreren Schritten wird der Purinring ans Ribosephosphat angebaut. Das Ribose-5-Phosphat, das v. a. aus dem Pentosephosphatweg stammt, muss aber zunächst aktiviert werden, bevor es dazu in der Lage ist, die N-glykosidische Bindung zu knüpfen . Dazu wird es durch eine Reaktion mit ATP in seine aktivierte Form, das Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP), überführt. Die weiteren Schritte sind [I Abb. 3):
anthin. Inositolmonophosphat ist Ausgangssubstanz für die Synthese von AMP und GMP. ~ Synthese von AMP aus IMP: Zur Bildung von AMP wird die Ketogruppe am C6 durch eine NH 2-Gruppe ersetzt. Dies geschieht durch Addition von As· partat und Eliminierung von Fumarat und ist GTP-abhängig. ~ Synthese von GMP aus IMP: IMP wird mithilfe von NAD+zu Xanthosinmonophosphat [XMP) oxidiert. Als Nächstes folgt die ATP-abhängige Arninierung durch eine Reaktion mit Glutamin.
die PRPP-Synthetase. Sie wird gehemmt durch AMP, GMP und IMP. Das Schlüsselenzym der Purinsynthese, die Glutamin-PRPP-Amidotransferase, wird ebenfalls von AMP, GMP und IMP wie auch von deren höher phosphorylierten Formen gehemmt. Außerdem hemmt das GMP seine eigene Synthese aus IMP, und das AMP seine eigene Synthese aus IMP. Damit es zu einer ausgeglichenen Synthese von AMP und GMP aus IMP kommt, greift hier ein weiterer Regulationsmechanismus ein: die reziproke Substratbeziehung: ATP fördert die Bildung von GMP aus XMP, da die Reaktion ATP-abhängig ist. Hohe Konzentrationen von GTP fördern wiederum die AMP-Syn these aus IMP [Diese Reaktion ist GTP-abhängig.).
Regulationsmechanismen Die Purinbiosynthese wird an verschiedenen Stellen reguliert. Erster Ansatzpunkt ist die Bildung von PRPP durch 2 ®-o-t~ HH 4
zp ®-0-C~ Hz 0 H
A\
I
H
"'
OH
®-O- CH 2
H
OH OH
H
o-®-® OH
OH
IHr"'
"""~pp.
PRPP
a- D-Ribose-5-P
OH
·
OH
5-Phosphoribosylamin
H,O. ADP +
~
Die geschwindigkeitsbestimmende Reaktion der Purinsynthese ist die Bildung von 5-Phosphoribosylam in aus PRPP und Glutamin. Katalysiert wird sie durch die Glutamin-PRPP-Amidotransferase, das Schlüsselenzym der Purinbiosynthese. ~ Es fo lgt die ATP-abhängige Kondensation des 5-Phosphoribosylamins mit Glycin. ~ Nun wird das Molekül formyli ert. Der Formylrest stammt dabei vom Forrnyl tetrahyd rofol. ~ Ein weiteres Stickstoffatom wird unter ATP-Verbrauch vom Glutamin eingefügt, und nach Wasse rabspaltung kommt es zum Ringschluss. ~ Anschließend folgt eine Carboxylierung: Ein freies C02 wird in den Ring eingebaut. ~ Nun folgt der Einbau eines weiteren N-Atoms (vom Aspartat, ATP-abhängig) und noch eines Cl-Fragments [vom Formyi-THF), und der Ring kann unter Wasserabspa ltu ng geschlossen werden. Es entsteht lnositolmonophosha t (IMP}, das Nukl eotid der Base Hypox-
I 33
32
~~~
Glycin
r0 NH,
Hp,
HC ,..... N~
co,
~
~CH
' ....._N H, N I
I
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Glutamat
'
® - O- C8Hz
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)
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I RIBOSE-5-P I
RIBO SE-5-P
N 10 FormylH4-Fola l
H
NI O_Formyi-H -Fo lat 4
~
HO" X\H \,_ / H, N
I
NI RIBOSE- -P 5
I
I
Aspartal
H
OH
Fo rmylglycinamidRibonukleo tid
0
Hz( NH
OH
GlycinamidRibonukleotid
Aspartat, GTI'
H4-Fo lat
Fumarat, GDP, P;
\.) ~
\
FumO
I
RIBOSE-5-P
I
I
~
RIBOSE-5-P
I
Aden osinmonophosphat (AMP)
IMP
HzO,NAD
~ NADH + H"' Glutamat,
0
Glutamin,
~
AlP
HN"'
' c,. . . \
0:~...._ .....~....._N/H ~ I [ RIBOSE-5 -P
I Abb . 3: Purinnuk leotidsynthese [71
A~:t·
0
~
\_ )
HN"' "'
I
Xanthosinrnonophosphat (XMP)
H, N-
~
' C.....-Nt-,
~
~CH
~N""' ....._N/
I
I
RIB OSE-5-P
I
Guanosinmonophosphal (GMP)
Stoffwechsel der Nukleotide II Pu ri nwiederverwertu ng (Salvage pathway)
Im Organismus find et durch den ständigen Auf- und Abbau der oftmals kurzlebigen RNA-Moleküle ein regerUmsatz an Nukleoliden statt. Die Oe-nova-Synthese der Nukleotide kostet viel Energie in Form von ATP, während der Nukleotidabbau nur sehr wenig Energie liefert Daher werden die beim Nukleinsäurenabbau entstehenden Purinbasen möglichst wiederverwertet Ablauf des Salvage pathways
Zunächst werden die freien Purinbasen mit Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) zu Nukleosidmonophosphaten verknüpft, die im Anschluss zu Di- und Triphosphaten phosphoryliert werden können. Die Ausbildung der N-glykosidischen Bindung zwischen den Purinbasen und PRPP wird dabei durch zwei Enzyme katalysiert: Die Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferase (HGPRT) katalysiert die Verknüpfung von Hypoxanthin bzw. Guanin mit PRPP: Hypoxanthin+ PRPP B IMP + PPi bzw. Guanin + PRPP H GMP + PPi ~ Die Adenin-Phosphoribosyltransferase (APRT) katalysiert die Verknüpfung von Adenin mit PRPP: Adenin + PRPP B AMP + PPi Diesen Weg der Purinwiederverwertung bezeichnet man als Salvage pathway. Stö rungen in der Purinwiede rve rwertung
Eine X-chromosomal rezessiv vererbte Störung der Hypoxanthin-Guanin·Phosphoribosyltransferase (HGPRT) kann zum Lesch-Nyhan-Syndrom führen, das durch mentale Retardierung, Selbstverstümmelung, Hyperurikämie und megalabiastäre Anämie gekennzeichnet ist Pathobiochemisch erklärt sich die Hyperurikämie durch eine gesteigerte Purinsynthese, die Folge einer fehlenden Rückkoppelungshemmung durch IMP und GMP und einem erhöhten Angebot an PRPP ist Der Purinüberschuss führt wiederum zur gesteigerten Bildung von Harnsäure.
~ Erster Schri tt: ATP-abhängige Bildung von Carbam oylphosphat aus Glutamin und C0 2 (Enyzm: Carbamoylphosphatsynthetase II). ~ Carbamoylphospha t un d Aspartat reagieren zu Carbamoylaspartat (Enzym: Aspartattranscarbamoylase, Schrittmacher der Pyrimidinsynthese) _ ~ An sc hlie ßend kommt es durch Wasserabspaltung zum Ringschluss. Dihydroorotat wird mittels Dehydrierung zur Orotsäure oxidiert ~ Nun folgt die Ausbildung der Nglykosidi sc hen Bindung zwischen dem Pyrimidinring und PRPP. Dabei wird Pyrophosphat (PPJ abgespalten, und Orotidinmonophosphat entsteht.
Synthese der Pyrimidinnukleotide
Im Gegensatz zur Purinn ukleotidsynthese wird bei der Synthese der Purinnukleotide der Pyrimidinring einzeln synthetisiert, bevor er an die Ribose H
HN
eo
HO
' c'io
I
~
angeknüpft wird _Die Atome für die Pyrimidinsynthese stammen vom Aspartat und vom Carbamoylphosphat
Die Löslichkeitsgrenze der Harnsäure Im Serum liegt bei ca. 7 mg/dl. Eine Hyperurikämie mit Überschreiten dieser Konzentration führt zum Ausfallen von Uratkristallen, die schmerzhafte, lokale Entzündungsreaktionen verursachen können (klinisch manifeste Gicht). Die Kristalle fallen meist in schlecht kaplllarisierten Geweben (z. 8. Knorpel, Hornhaut usw.), und zwar typlacherweise Im GroB~hengrundgelenk aus. Ursliehlieh können EJ~ZYmdefekte (s.o.), mangelnde Ausscheidung (Niereninsuffizienz) oder -eloe puiinre1che Ernährung (z. B. lnne11ien. Fleisch, Hülsenfrüchte) sein.
o~c 'o
+
® Carbam oyl-
H2 N~coo0
Asparta ttranscarbamoylase
\
\
H20
Ä
CH2
oj"w"~;-cooe H
1
H Oi hydro orotsäure
~
OrotsäureDell)'d rogenase
H~~ ® o~:~ 1 PhosphatDecarboxylase
'H
I
H Carbamoylaspartat
phosphat
Orotid in-5-
N
P,
HN
D1hydroororase ,..
~ -coo0
I
O= C
Asparta t
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,..
0
'(~..0 H2 N ' CH2
NAD
0
.,_ NADii + He
,__c - coo 0 Orotat-Phosphovibosyl transfera se
~H
5-Phospllonbosyt1-d iphosphat
Orotidin-5-Ph osphat
co,
H:~ Qj ,NJ
® -O-G~1 2
0
NADPH + H
NADPID
\_ ) Thymidilatsyntha se
"_
OH OH Urid in-5 -Phosphat (UM P)
ATP
ADP
' ""='"· """"' P, · ATP
ADP .
0
J5i
,.. @- @- ® -0- Ci-1 2
~~
I Abb . 4: Rea ktionen der Pyrimid in biosynthese 171
CTP
(Cyticlintriphosph at)
]~1 H
Genetik
341 35
Enzyme: 1: Adenosin-Desaminase 2: PurinnukleosidPhosphorylase 3: Xanthin-Oxidase 4: Guanin-Desaminase
l:S:N~ N
N
I
Rib Adenosin
(
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OH
(
0
H20
~.
(x) N
NH 3 Inosin
6
I
(\ "
Rib
P;
Rib-P Hypoxanthin
Xanthin
Harnsäure
I Abb. 5: Abbau der Purinbasen
..,.. Dieses wird durch Carboxylierung zu Uridinmonophosphat (UMP) umgewandelt. UMP kann durch Phosphorylierungen weiter zu UTP umgewandelt werden (I Abb. 4).
ribonukleotide zu gewinnen, muss die Ribose reduziert werden. Das Enzym dieser Reaktion ist die Ribonukleotidreduktase, die Thioredoxin als Reduktionsmittel nutzt. Dieses muss anschließend mithilfe von NADPH/ H+durch die Thioredoxinreduktase wieder regeneriert werden. Abbau der Purin- und Pyrimidinnukleotide
Die Synthese von TMP Die Synthese von TMP aus UMP erfolgt durch NADPH/H+-abhängige Reduktion zu dUMP und anschließende Methylierung durch die Thymidilat-Synthase, wobei dTMP entstehe Methylgruppendonator und Reduktionsmittel ist bei dieser Reaktion die Tetrahydrofolsäure, die dabei zu Dihydrofolsäure oxidiert wird. Sie muss anschließend regeneriert werden, damit sie wieder der TMP-Synthese zur Verfügung stehen kann (Enzym: Dihydrofolatreduktase) . Zellen mit hohen Zellteilungsraten, wie z. B. Krebszellen, benötigen viel TMP zur Bildung von DNA. Diese Tatsache macht man sich bei der Krebstherapie mit Hemmstoffen der Thymidilat-Synthase und der Dihydrofolatreduktase (z. B. Methotrexat) zu Nutze. Bildung der Desoxyformen der Purin- und Pyrimidinnukleotide Um aus den Ribonukleotiden die für die DNA-Synthese benötigten 2'-Desoxy-
Beim Abbau der Purin- und Pyrimidinnukleotide werden die Nukleotide zunächst durch die Nukleotidase hydrolytisch zu Nukleosiden gespalten. Als Nächstes katalysiert die Nukleosidphosphorylase die phosphorylytische Spaltung der Nukleoside in (Desoxy-)Ribose1-Phosphat und die freie Base. Ribose-IPhosphat gelangt nach Isomerisierung
zu Ribose-5-Phosphat wieder in den Stoffwechsel. Abbau der Purinbasen: Lediglich die
Nukleoside Inosin, Xanthosin und Guanosin können von der Nukleosidphosphorylase umgesetzt werden. Adenosin muss, um abgebaut werden zu können, zunächst zu Inosin desaminiert werden. Beim Abbau der Purinbasen bleibt der Purinring erhalten und wird als Harnsäure (Urat) über die Nieren ausgeschieden (I Abb. 5). Abbau der Pyrimidinbasen: Bei den
Pyrimidinbasen kann der Ring komplett abgebaut werden. Die Enzyme dazu sind in der Leber lokalisiert. Der Abbau läuft über einen mehrstufigen Prozess und endet in der Bildung von Acetat, Propionat, NH 3 und C02 •
Zusammenfassung X Nukleotide sind aus einer Pentose, einer Purin- oder Pyrimidinbase und einer bis drei Phosphatgruppen aufgebaut. X Die wichtigsten Purine sind Adenin und Guanin, die wichtigsten Pyrimidine Cytosin, Thymin und Uracil. X Die Purinbasen werden direkt am PRPP synthetisiert. Bei der Pyrimidinsynthese wird erst der Pyrimidinring gebildet und anschließend mit dem Zucker verknüpft. Seide können auch über den sog. Salvage pathway wiederverwertet werden. • Beim Abbau der Purinbasen entsteht unlösliche Harnsäure. Ein Überangebot an Purinen kann zur Hyperurikämie führen (Gicht).
DNA und Nukleinsäuren Nukleinsäuren si nd die Träger der Erbanlagen aller Lebewesen. Es handelt sich um Polynukleotide, von denen Millionen von Monomeren durch Phosphodiesterbrücken miteinander verbunden werden.
RNA besteht aus Ribose, DNA enthält Desoxyribose als Zuckerbaustein. Es gibt zwei überlebenswichtige Eigenschaften der DNA: zum einen muss sie in der Lage sein, genetische Information genau zu speichern und an spätere Generationen weiterzugeben, zum anderen muss sie alle wichtigen Daten in verschlüsselter Form speichern. RNA hat mehrere Funktionen- einerseits wird sie zur Transkription und Translation benötigt, bei einigen Viren ist die RNA aber auch Träger der gesamten Erbinformation. Aufbau der DNA
DNA ist eine Doppelhelix aus zwei antiparallel velaufenden, unverzweigten Ketten aus Desyoxyribonukleotiden. Diese rechtsgängige Helix entsteht dadurch, dass die Basen der beiden Stränge, die auf der Innenseiteam CI-Zucker hängen, Basenpaare bilden und sich durch Wasserstoffbrücken miteinander verbinden. Hierbei bilden Guanin und Cytosin drei, sowie Adenin und Thymin zwei Wasserstoffbrücken untereinander (I Abb. I). Diese Brücken sind es, die der DNA ihre Stabilität verleihen. Durch die Drehung der Helix und da die Winkel der Verbindungen zwischen Zucker und Base< 180° betragen, weist die DNA nach außen hin ei ne große und eine kleine Furche auf (I Abb. 2)
I Abb. I: Die Ba se npaa re der DNA [17 ]
5'
HO
3'
5'
paare und zwei Geschlechtschromosomen. ln jedem Zellkern sind ungefäh r I,8 m DNA enthalten, verpackt auf 6 lJm. Um die DNA auf so kleinem Platz speichern zu können, muss sie verd ichtet werden. Hierzu ist die DNA der Chromosomen um Histon-Proteine gewickelt. Dies sind basische, also positiv geladene Kernproteine. Ein Stück des DNA-Strangs wickelt sich um zwei Moleküle der vier verschiedenen Histo· ne und bildet so ei nen Nukleosomenkern, der über eine Linker-DNA mit dem nächsten verbunden ist.
Das menschliche Genom
E E -.:t
c0 kleine Furche
Gene sind kodierende Einheiten auf dem DNA-Strang. Die meisten Gene stellen Ba upläne für Proteine dar. Zur Synthese der Proteine wird die DNA durch Transkription in RNA umgewandelt. Die auf der RNA gespeicherte Information wird dann in Proteine übersetzt, diesen Vorgang nennt man Translation.
Organisation der DNA
Die DNA bildet das Genom des Menschen im Zellkern - einen diploiden Chromosomensatz aus insgesamt 46 Chromosomen - 22 Autosomen-
Ei n Nukleosomenkern und die zugehörige Linker-DNA bilden ein Nukleosom. Alle Nukleosomen zusammen ergeben den Nukleosomenstrang. Dieser ist über weitere Kondensationsmechanismen zum Chromosom verdichtet. Eine weitere Aufgabe der Histone ist die Regula tion der Genexpression. An sie können sogenannte ChromatinRemodellierungsmaschinen binden die die in den Nukleosomen verpackte' DNA zugänglich machen, indem sie die Verbindun g zwischen den Histonen und der DNA lösen und so zum Beispiel Sequenzen freilegen können. Diese Werden für die RNA-Polymerase zugänglich ' und die Zelle kann die Transkription dieser Gene starten.
I Abb. 2: Die DNA-Doppelheli x 121
Genetik
Ein prokaryontisches Gen besteht aus:
nötig, um die Aminosäuren eindeutig zu verschlüsseln. .... einem Promotor, der die Ansatzstelle Da drei Basen aber 43 = 64 Aminofür die RNA-Polymerase sowie für die säuren ergeben, stehen für die meisten Transkriptionsfaktoren enthält, Aminosäuren mehrere Basenkombina.... einem Start-Codon, den ersten drei tionen zur Verfügung. Meist unterscheiBasen, die bei der Proteinsynthese trans- den sich die unterschiedlichen Codes latiert werden, für eine Aminosäure nur durch den .... einem Strukturgen, dem Teil des letzten Buchstaben, so kodieren beiGens, der transkribiert wird. Hierbei spielsweise CTT, CTC, CTA und CTG ist es wichtig, zwischen Exons und alle Leuein (I Abb. 3). Introns zu unterscheiden: Exons sind Deshalb bezeichnet man den genetidie kodierenden Bereiche des Gens, die schen Code auch als degeneriert, später zum Protein translatiert werden. und dies ist der Grund dafür, dass man Introns sind die nicht kodierenden Seden Code nur in die Richtung von DNA quenzen, die zwar transkribiert werden, zu Polypeptid eindeutig ablesen kann. aber vor der Synthese des Proteins aus der RNA herausgeschnitten werden; ~ einem Stopp-Codon, das den Abbruch einer Translation markiert.
36
I 37
Die Degeneration des Codes schützt auch vor Mutationen, so dass es oft trotz Austausches einer Base zu keiner Änderung der Aminosäuresequenz kommt. Weiterhin gibt es noch verschiedene Tripletts, die nicht für den Einbau einer Aminosäure stehen, sondern das Ende der Translation markieren. Hierzu gehören TGA, TAA und TAG. Den Beginn der Translation signalisiert allerdings nur ein BasentripJett - die Sequenz ATG. Dieses steht für Methionin, das die erste Aminosäure in jedem Polypeptid darstellt.
Das menschliche Genom besteht aus 46 Chromosomen mit ungefähr 30 000 Genen. Durch alternatives Spleißen Werden aus diesen Genen über 100 000 verschiedene Proteine und 3,2 Milliarden Basenpaare. Allerdings sind nur etwa 1,5'J6 der Basensequenzen kodierend.
Die nichtkodierenden Teile der DNA lassen sich folgendermaßen unterteilen: ~
Introns: nichtkodierende Anteile der Gene, die im Rahmen der Transkription herausgeschnitten werden, ~ Abschnitte zwischen den Genen: Man unterscheidet zwischen nicht· repetitiven Sequenzen, die nur einmal im Genom vorkommen und mehrfach vorkommenden repetitiven Sequenzen. Diese genfreien Abschnitte der Chromosomen bilden das Heterochromatin, das sich nach Anfärbung der Chromosomen dunkel darstellt. Die genreichen Teile bilden das hellere Euchromatin.
• Met= Start
I Abb. 3: Die genetische Sonne Aminosäuren und die zugehörigen Basentrip leUs
Zusammenfassung X Nukleinsäuren sind die Träger der Erbanlagen. DNA hat die Aufgabe, genetische Information zu speichern und weiterzugeben. X Die rechtsgängige Helix wird durch Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen den Basen stabilisiert.
Der genetische Code
Die Reihenfolge der Basen auf dem DNA-Strang codiert für die Aminosäuresequenz der späteren Proteine. Aus den vier Basen, abgekürzt mit den Buchstaben A, C, T, G müssen die 20 verschiedenen Aminosäuren gebildet werden. Da zwei Basen nur 42 = 16 Aminosäuren kodieren könnten, ist ein BasentripJett
X Die im Zellkern gespeicherte DNA muss verdichtet werden, um auf so kleinen Raum zu passen. Es werden Chromosomen gebildet. ln jeder Zelle befinden sich 46 Chromosomen. X Der genetische Code ist degeneriert. Immer drei aufeinanderfolgende Basen der Nukleinsäuren kodieren für eine Aminosäure. Degeneration des genetischen Codes bedeutet, dass für die meisten Aminosäuren hierbei mehrere Tripletts zur Verfügung stehen.
Replikation der DNA Vor der Teilung einer Zelle muss die DNA verdoppelt, also repliziert werden, damit jede der entstehenden Tochterzellen das komplette Erbgut erhalten kann. Dies gilt nicht nur für Eukaryonten, sondern auch für Prokaryonten, bei denen durch jede Zellteilung ein neues Individuum entsteht. Bei Eukaryonten wird nicht die gesamte DNA der Zelle nacheinander repliziert, sondern, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, an vielen Stellen gleichzeitig mit der Synthese begonnen. Ein Replikon ist ein Stück, das in einem Teil repliziert wird. So schafft es die Zelle, ihr Genom innerhalb weniger Stunden neu zu synthetisieren. Durch die verschiedenen Basenpaare hat jede Base genau eine andere, die zu ihr komplementär ist. Die Synthese funktioniert einfach gesagt folgendermaßen: Die beiden Stränge werden voneinander getrennt. Die komplementären Basen binden sich an die freiliegenden Basen der aufgetrennten Stränge und es entstehen zwei neue Doppelhelices.
3'-Ende des Strangs
5'-Ende des Strangs
I
0
I
0 I
-o-P = o I
c -
01
G
OH, I
0
H2C O Q H
I
o = P - o-
H
1
H neu synthetisierter Strang
0 0 I
-o- P = 0
Matrizenstrang
1
H C QO 0
CH 2
A
1
2
H
a
H
H
(y) 0
(~) 0
II
II
OH 3'-Ende
(a) des Strangs 0
C Q
II
-
0
G ---
I
I
o-
I 0
Cl H2
0
- 0-P-Q-P-Q - P - Q - C 2 Q
o-
? o-
O=P -
I
*I
O=P- o-
o-
1
0
Pyrophosphat
HO
neues Desoxyribonucleosidtriphosphat
I Abb. 1: Ablauf der Replikation der DNA 117]
OH,
A L...------'
I
0 I
Ablauf der Replikation
Angriffspunkt für viele Antibiotika, wie Die Synthese der DNA ist unterteilt in z. B. Nalidixinsäure oder Novobiocin. Die Replikationsgabel ist die Stelle, drei Schritte: an der die Synthese der DNA stattfindet. Hierbei wird nicht erst der komplette ~ Initiation, Doppelstrang getrennt und dann die ~ Elongation, Tochterstränge synthetisiert, sondern ~ Termination. die Replikationsgabel wandert am DNAStrang entlang, entwindet diesen und Initiation synthetisiert gleichzeitig neu. Da die DNA-Polymerase die Synthese Die Synthese der DNA (I Abb. 1) wird des neuen Stranges nicht bei Null beginvon einem Enzymkomplex namens nen kann, sondern an ein vorheriges DNA-Polymerase katalysiert. Nukleotid mit einer freien 3'-0H GrupDer erste Schritt der Replikation ist die pe am freien Ende anknüpft, wird ei n Entwindung der beiden DNA-Stränge Primer benötigt. Dies ist ein Nukleindurch die Helicase. Die Wasserstoffbrüsäureabschnitt, der von der DNA-abhäncken, die die beiden Stränge verbinden, gigen RNA-Polymerase (Primase) werden gelöst. hergestell t wird. Es hat am 3'-Ende eine Da durch diesen Vorgang die benachfreie 3'-0H-Gruppe an das die neuen barten Abschnitte der DNA übermäßig verdrillt werden, sind so genannte Topo- Nukleotide passend zu den Basen des mütterlichen DNA-Strangs angehängt isamerasen nötig, um die entstandene werden. Spannung wieder zu lösen. Die Topoisomerase I fügt vorübergehend Einzelstrangbrüche in die DNA-Kette ein, die Elongation Topoisomerase II DoppelstrangbrüBei der Replikation wird gleichzeitig che. Die Topoisamerase II wird bei Bakterien auch DNA-Gyrase genannt. Sie ist von den beiden el terlichen Strän gen ab-
o= P-o1
0
I
O=P I
-o
0 I
5'-Ende des Strang
gelesen und an jeden ein zweiter, zur Basensequenz passender DNA-Strang gebunden. Beide neu entstehenden Doppelstränge bestehen also aus einern elterlichen Strang und einem Tochterstrang. Man bezeichnet diese Art der Replikation als semikonservativ. Die DNA-Polymerase bewirkt nun die Addition von Nukleotiden an die wachsend e DNA-Kette in 5'---+3'-Richtung. An das 3'-Ende des Primers wird bei der Verlängerung des Strangs das erste Nukleotid gehängt. Dieses muss, um einge baut werden zu können, in der aktivi erten Form, als Nukleosid-Triphosphat vorliegen. Die 3'-0 H-Gruppe des bereits in den neuen DNA-Strang eingebauten Nukleotids füh rt einen hydrophi-
... Genetik
len Angriff auf das 5'-Triphosphat des anzuhängenden Nukleotids durch. So entsteht zwischen diesen eine Phosphodiesterbindung. Dabei wird Pyrophosphat frei, das von einem Enzym namens Pyrophosphatase unter Energiefreisetzung zu zwei Phosphaten gespalten wird . Von dieser Energie wird die DNA-Synthese angetrieben. Die DNA-Polymerase ist in der Lage, beide elterlichen Stränge gleichzeitig zu töchterlichen Doppelsträngen zu synthetisieren. Dies ist nicht selbstverständlich, da die Synthese in Richtung 5 ' ~3' stattfindet. Da aber die beiden Stränge antiparallel angeordnet sind, müsste normalerweise ein Strang in 3'~5' Richtung wachsen. Die Natur hat dies folgendermaßen gelöst: Ein Tochterstrang, der sog. Leitstrang, wird kontinuierlich gebildet, in der Richtung, in der die Replikationsgabel auf der DNA entlang wandert. Der andere Strang wird diskontinuierlich synthetisiert, das heißt die Polymerase macht hierbei Sprünge zu einem etwas weiter vorne gelegenen Abschnitt auf dem DNAStrang und wandert dann in 5'~3'· Richtung zurück. Bei jedem Sprung ist für den Synthesebeginn wieder ein Primer nötig, der später von einer DNAPolymerase mit 5'~3' Exonukleaseaktivität wieder entfernt wird. Es entste· hen sogenannte Okazaki-Fragmente, die durch die DNA-Ligase mit dem Folgestrang verbunden werden. Um zu vermeiden, dass fehlerhafte Nukleotide in die DNA eingebaut werden, was zu Mutationen mit schwerwiegen den Folgen führen könnte, hat die DNAPolymerase eine 3'~5' Exonukleaseaktivität. Dies ermöglicht ihr, die zuletzt eingebaute Base noch einmal zu überprüfen, falsche Kombinationen einfach herauszuschn eiden und durch eine korrekte zu ersetzen. Termination
Ist der zu replizierende DNA-Absc hnitt komplett abgelesen und die entspre· ehenden Tochterstränge hergestellt, so schneidet die DNA-Polymerase den Strang ab und beendet somit die Replikation.
Aufbau des DNA-PolymeraseKomplexes
Abschließend noch eine genauere Beschreibung des Enzymkomplexes, der die DNA-Synthese ermöglicht. Leichter ist dies am Beispiel der bakteriellen DNA-Polymerase, die sehr ähnlich funktioniert wie die menschliche, aber etwas einfacher aufgebaut ist (I Abb. 2). Dieser Enzymkomplex besteht aus mehr als zehn Untereinheiten und aus zwei Teilkomplexen, von denen einer auf dem Leitstrang, der andere auf dem Folgestrang ansetzt. Verbunden werden die beiden Komplexe durch die -r-Untereinheit. Ein Komplex synthetisiert den Leit-, der andere den Folgestrang, weshalb sie auch nicht identisch si nd, sondern unterschiedliche Enzyme beinhalten. An der Spitze des Enzymkomplexes sitzt die Helicase, die die DNA-Doppelhelix entwindet und den Doppelstrang trennt. Die Synthese des Leitstranges läuft in Richtung der Bewegung der auf der DNA entlangwandernden ReplikationsgabeL Bei der Synthese des Folgestranges ist dies komplizierter, es wird eine Schleife gebildet und die DNA-Polymerase bildet die oben beschriebenen Okazaki-Fragmente. Ein sog. Gleitring
381 39
ermöglicht hierbei außerdem eine höhere Prozessivität- er "klammert" die DNA-Polymerase an den Strang, so dass schneller größere Stücke synthetisiert werden können, ohne dass der Enzymkomplex sich vom DNA-Strang lösen muss. Die DNA-Polymerase ist in der Lage, pro Sekunde etwa 1000 Nukleotide an die entstehende Kette zu hängen. s·
3'
3' 5'
3' 5'
I Abb. 2: Aufbau de r DNA-Polymerase [ 17]
Zusammenfassung a Vor jeder Zellteilung muss die DNA der Zelle verdoppelt werden.
a Aus der ursprünglichen DNA entstehen bei der semikonservativen Replikation zwei Tochterstränge, die mit der elterlichen Doppelhelix identisch sind.
a Bei der Replikation werden die beiden DNA-Stränge voneinander getrennt. An die beiden einzelnen Stränge werden die komplementären Basen gebunden, so dass zwei neue Helices entstehen. Katalysiert wird dieser Ablauf
a
von der DNA-Polymerase. Die Wachstumsrichtung ist von 5' nach 3'. Die DNA-Polymerase ist durch ihre Eigenschaft als 3'~5' Exonuklease in der Lage, ihre eigenen Fehler zu korrigieren. Der letzte Schritt wird nochmals überprüft, bevor die Polymerase ein weiteres Nukleotid an die wachsende Kette anhängt. Passt das neue Nukleotid nicht zum Originalstrang, wird es wieder abgespalten.
a Aufgebaut ist der DNA-Polymerase-Komplex aus über zehn Einheiten, die eine viel schnellere Synthese der DNA ermöglichen, als die enthaltenen Enzyme einzeln.
Transkription Bei der Transkription wird die Speicherform der genetischen Information, die DNA, in die RNA, die Arbeitsform , umgewandelt. RNA-Typen
Bei der Transkription entstehen drei unterschiedliche Gruppen von RNA, für deren Synthese drei verschiedene Enzyme zuständig sind: ~ Ribosomale RNA (rRNA): wird in die Ribosomen eingebaut. Die Synthese wird katalysiert von der RNA-Polymerase I. .,. Messenger RNA (mRNA) : wird für die Herstellung von Proteinen in der Translation als Vorlage benötigt. Das synthetisierende Enzym ist die RNAPolymerase II. ~ Transfer RNA (tRNA): wird in der Translation zur Übersetzung zwischen mRNA und Aminosäurensequenz benötigt (s. Kap. 42). Die Synthese übernimmt die RNA-Polymerase III.
Ablauf der Transkription Die RNA-5ynthese beginnt, wenn eine RNA-Polymerase an eine Promotor-sequenz auf der DNA bindet. Dies ist ein Abschnitt auf der DNA, der eine Andockstelle für die RNA-Polymerase und des weiteren Informationen enthält, an welcher Stelle der DNA die Synthese beginnen soll und welcher der belden Stränge abgelesen werden soll.
Die RNA-Polymerasen sind allerdings nicht in der Lage, die Promotoren allein zu erkennen und an sie zu binden. Dazu ist die Hilfe von Transkriptionsfaktoren notwendig. Dies sind Proteine, die an die DNA binden und unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Die verschiedenen Transkriptionsfaktoren sind in I Tabelle I aufgelistet. Hat die RNA-Polymerase nun an die
Zinkfinger
DNA gebunden, wandert sie in 3'---+ 5'-Richtung an ihr entlang. Der Abschnitt der DNA, der gerade an die RNA-Polymerase gebunden ist, wird Tran skriptionsblase genannt (I Abb. 1). Der Doppelstrang wird in einem Bereich von 17 Basenpaaren kurzfristig durch eine in der Polymerase enthaltene Helik ase aufgetrennt. Nun wird ein zu einem der beiden Stränge komplementärer RNA-Strang synthetisiert: Der entstehende RNA-Strang wächst in 5'---+ 3'-Richtung und entsteht ähnlich wie bei der DNA-Replikation: Eingebaut werden die Ribonucleosidtriphosphate ATP, GTP, CTP und UTP. Bei dieser Reaktion ist auch noch eine Pyrophosphatase beteiligt, die ein Pyrophosphat zu zwei Molekülen Phosphat reagieren lässt. Dabei wird eine große Menge Energie frei, die bewirkt, dass die Synthese-Reaktion des RNA-Strangs praktisch irreversibel ist. Während die RNA-Polymerase an der Matrize entlangwandert, wird der en tstehende RNA-Strang um die komplementären Nukleotide verlängert. In den Abschnit· ten, die von der Transkriptionsblase durchlaufen wurden, lagern sich die beiden aufgetrennten DNA-Stränge wieder aneinander. Wie die Termination des RNA-Strangs abläuft, ist noch nicht vollständig erforscht.
RNA-Prozessierung Die entstandenen RNA-Ketten müssen nach der Synthese noch weiter bearbeitet werden, bis sie die vom Körper benötigte Form haben. Diesen Vorgang nennt man Prozessierung.
Prozessierung der mRNA Anhänge n ei ner Kappe am 5'-End e Die im Zellkern hergestellten mRNAStücke werden auch als primäre Transkripte bezeichnet. An das 5'-Ende wird
Polyade nyl ierun g Am 3'-Ende en thält die fertig synthetisierte mRNA eine posttranskriptioneile Polyadenylierung: Die Basenkombination AAUAAA. Diese wird von einer Endonuklease erkannt und dahinter liegende Nukleotide abgeschnitten. Von einer Polymerase werden nun etwa I 00- 300 Adenosine angehängt, PolyA-Schwanz genannt. Dieser Schwanz hilft sc heinbar, die mRNA zu stabilisieren und die Translation an den Ribosomen zu erleichtern, die genaue Funktion ist allerdings noch nicht genau erforscht. Posttransk riptionelles Spl eißen Die synthetisierten Vorläufermoleküle der mRNA enthalten In trons und Extrons. Exons sind die Abschnitte in der mRNA, welche die für die Herstellung eines Proteins nötigen Kodierungen beinhalten. Sie werden unterbrochen von benachbarten lntrons. Hierbei handelt es sich um nicht-codierende Sequenzen in derRNA.
Beim Prozessieren werden nun diese Introns herausgeschnitten und die Exons miteinander zum fertigen mRNA.Stück verknüpft. Dieser Vorgang, auch Spleißen genannt, muss nicht immer gleich ablaufen. Beim alternativen Spleißen werden nach der Transkription aus dem gleichen VorläufermolekQl unterschiedliche Bereiche entfernt, so können aus einem Gen unterschiedliche Proteine entstehen . Edi tiere n der RNA Auch nachträglich können die RNAStücke von bestimmten Enzymen noch
Kleine Protein-Zink-Komplexe, die wie Finger in die DNA greifen und an sie binden
Leucin-Zipper
Enthält basische Aminosäuren, die an die saure DNA binden können
Helix-Loop-Helix-
Zwei "--Helices, die durch eine Schleife verbunden sind und ebenfalls an die DNA binden können.
Struktu ren
noch während der Synthese eine Kappe aus 7-Methyi-Guanosin angeheftet. Diese Kappe ist sehr wichtig, wenn die mRNA in der Translation als Vorlage für die Proteinsynthese genutzt wird.
I Tab. 1: Transkriplionsfak toren
Genetik
RNA-Polymerase
Matrizenstrang
40 141
I Abb. 1: Transkriptionsblase [2]
codierender Strang
5'
3'
Elongations-
stelle Bewegung der Polymerase
verändert werden. Oft wird ein Cyto· sin durch ein Uracil oder ein Adenosin durch ein Thymidin ersetzt. Dies hat dann Auswirkungen auf die Herstellung des Proteins. Ein gutes Beispiel hierfür ist das Apolipoprotein B: Dieses Protein wird sowohl im Dünndarm als auch in der Leber synthetisiert. In der Leber wird das große Apolipoprotein B-1 00 hergestellt, das ein Protein des LDL und wichtig für die Bindung an den LDL· Rezeptor ist. Im Darm hingegen wird durch eine Desaminase ein Cytidin durch ein Uridin ersetzt. Dies hat zur Folge, dass statt des Einbaus eines Glutamins ein Stopp-Codon bei der Proteinsynthese erreicht wird und ein verkürztes Apolipoprotein B-48 entsteht. Dieses kann mit dem LDL-Rezeptor keine so starke Bindung eingehen, wie das Apolipoprotein B-100.
Die Vorläufermoleküle der rRNA werden durch Nukleasen zu kleineren Stücken zerschnitten. So entstehen verschiedene Untereinheiten, die später in den Ribosomen wichtig sind (s. Kap. 2 und Kap. 4). Hemmun g der Transkription
Es gibt verschiedene Stoffe, die die Transkription hemmen können. Dabei handelt es sich zum Teil um Gifte, aber auch um Stoffe, die als Medikamente eingesetzt werden: ~
a-Amanitin: a-Amanitin, das Gift
der Knollenblätterpflanze, hemmt die RNA-Polymerasen unterschiedlich stark: I ist kaum empfindlich für das Gift, li wird sehr stark gehemmt, die RNAPolymerase III wird weniger stark beeinträchtigt. Die giftige Wirkung des
Pilzes hat also in der Transkription ihren Ansatzpunkt. Vergiftete Zellen sterben nach einiger Zeit ab, die größte Wirkung wird in der Leber erreicht. Erste Symptome sind nach 8-24 Stunden zu beobachten, die Patienten versterben meist an Leberversagen. ~ Rifampicin: Hierbei handelt es sich um ein Antibiotikum, das man beispielsweise bei Tuberkulose verabreicht. Es blockiert die RNA-Polymerase der Prokaryonten. ~ Actinomyc in D: Dieses Zytostatikum bildet Komplexe mit der DNA und führt zu einer Verklebung der beiden DNA-Stränge. Somit wird die Entwirrdung durch die RNA-Polymerase verhindert. Actinomycin D wird vor allem als Medikament in der Tumortherapie eingesetzt, um die Teilung neoplastischer Zellen zu verhindern.
Prozessierung von tRNA und rRNA
Auch die tRNA-Vorläufermoleküle werden nach der Synthese noch weiter bearbeitet. Von den entstandenen, noch zu langen tRNA-Stücken wird sowohl am 5'- als auch am 3'-Ende ein Stück durch eine RNase abgeschnitten. Es findet ebenfalls ein Spleißen von Introns statt.
Zusammenfassung M Für die Synthese der unterschiedlichen RNA-Typen (rRNA, mRNA und tRNA) gibt es drei verschiedene Enzyme, die RNA-Polymerasen 1-111. M Die Transkription beginnt an einer Stelle der DNA, die Promotor genannt
wird. Damit die RNA-Polymerasen an diesen Bereich binden können, werden Transkriptionstaktoren benötigt. • Der RNA-Strang wächst durch den Einbau von zum DNA-8trang komplementären Ribonukleosidtriphosphaten in 5' ~ 3'-Richtung.
ac Die entstehenden Vorläufermoleküle werden weiter prozessiert. Bei der mRNA wird eine Kappe ans 5'-Ende gehängt, es findet eine Polyadenylierung am 3'-Ende statt, sowie ein Spleißen von lntrons. Durch alternatives Spleißen werden aus einem mRNA-8trang Vorlagen für unterschiedliche Proteine.
Translation Anticodon
Translation ist der Vorgang der Synthese von Proteinen. Dieser Prozess findet an den Ribosomen statt. Hierbei muss die Nukleinsäuresequenz der mRNA in die entsprechende Aminosäuresequenz der Proteine übersetzt werden.
Sie sind die Zellorganellen, an denen die Umwandlung von mRNA in Aminosäuresequenzen stattfindet. Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten: einer großen, auch 60 S-Untereinheit genannt, und einer kleinen, der 40 S-Untereinheit. An jedem Ribosom findet man eine Bindungsstelle für die mRNA sowie zwei eng benachbarte Bindungsstellen für tRNA:
Funktion der tRNA
Oie Transfer-RNA (tRNA) erfüllt mehrere Aufgaben. Sie ist das Übersetzermolekül zwischen den Codons auf der mRNA und den dazu passenden Aminosäuren. Am 3'-Ende jeder tRNA ist eine Aminosäure gebunden. jede einzelne Aminosäure hat mindestens ein "eigenes" tRNA-Molekül, das am gegenüberliegenden Ende das sogenannte Anticodon enthält (I Abb. 1). Dieses Anticodon ist komplementär zu dem entsprechenden Codon auf der mRNA, das für die Aminosäure steht, die an die tRNA gekoppelt ist. Da viele Aminosäuren nicht nur ein kodierendes Triplett, sondern mehrere besitzen, existieren dementsprechend auch mehrere tRNA Moleküle für ein und dieselbe Aminosäure.
I Abb. 1: Die Kleeblattstruktur einer tRNA [7]
.". A-Bindungsstelle: Hier bindet die mit einer Aminosäure beladene Aminoacyl-tRNA. .". P-Bindungsstelle: Hier ist das letzte ' im letzten Schritt der Translation an geknüpfte Peptidkette die wachsend e tRNA-Molekül gebunden.
Ablauf der Translation Initiation Ribosomen
Ribosomen sind kugelartige Verbindungen aus Proteinen und Ribonukleinsäuren (die den größeren Anteil haben). lnitiator-tRNA bzw. Peptidyl-tR NA
Zu Beginn der Translation lagern sich die beiden Untereinheiten des Ribosorns an einer bestimmten Stelle der mRNA zusammen. Diese Stelle ist das soge-
~
~ Aminoacyl-tRN ABindung
Am inoacyl-tRNA-5ynthetase
Die Funktion dieses Enzyms ist es, die Aminosäure an die tRNA zu binden. jede Aminosäure besitzt eine eigene Synthetase, z. B. die Alanin-tRNA-Synthetase. Diese erkennt die Aminosäure und die zugehörige tRNA und verbindet diese unter Verbrauch von zwei Molekülen ATP miteinander. Zuerst wird die Aminosäure mit einem ATP aktiviert und dann an die tRNA gebunden. Produkt ist eine Aminoacyl-tRNA, das mit der Aminosäure beladene tRNA-Molekül. Aminosäure + ATP + tRNA ~ Aminoacyl-tRNA + AMP + PP1
~ Aminoacyl-tRNA
~
""""'"'""''""'
j
~
r:::L_j l:J lu T"'""""' o-GPI:JGF
~
Abb . 2 : Entstehung einer Peptidkelte an einem Riboso m mit tRNA rnRNA und wac hsender Peptidket;e
I
]1 7]
...
Genetik
42143
nannte Start-Codon und besteht immer Termination Abbau der Proteine aus der Kombination AUG. Dieses Basentripleu kodiert für die Aminosäure Sobald das Ribosom auf der mRNA Die vorhandene Menge eines jeden Methionin. Für die Anlagerung an die eines von drei möglichen Stopp-CoEiweißes wird genau kontrolliert. Der mRNA sind sogenannte Initiationsfakdons (UAG, UAA oder UGA) erreicht, Abbau der Proteine wird auch als Protoren notwendig. An der P-Bindungs- . wird die Proteinsynthese beendet: teolyse bezeichnet. stelle des Ribosoms ist bereits eine AmiEin sehr kleines Protein, Ubiquitin, noacyHRNA mit Methionin gebunden . ~ Anstelle einer Aminoacyl-tRNA ist dafür zuständig, die Proteine zu Die Synthese kann nun starten, indem werden Release-Faktoren gebunden. markieren, die abgebaut werden sollen. an die A-Bindungsstelle das nächste Diese Faktoren beeinflussen die FunkHierbei handelt es sich zum einen um AminoacyHRNA-Molekül entsprechend tion der Peptidyltransferase. solche, die von Haus aus nur eine kurze den fo lgenden drei Nukleoliden der ~ Statt einer Am inosäure wi rd ein WasZeit leben sollen. Außerdem werden mRNA gebunden wird (I Abb. 2). sermolekül an die wachsende ProteinProteine markiert, die beschädigt oder kette angehängt. Dies hat zur Folge, durch Fehler in der Translation nicht Elongation dass die Bindung der Peptidylkette an richtig funktionsfähig sind. das Ribosom gelöst wird. Das fertiggeEin durch Ubiquitin markiertes Protein Die Verlängerung der entstehenden stellte Protein wird nun ans Zytoplasma wird ans Proteasom gesandt. Hier Peptidkette läuft folgendermaßen ab: abgegeben. läuft es durch den sogenannten ZentralDas Ribosom wandert drei Nukleotide ~ Das Ribosom zerteilt sich wieder in kanal, in dem sich Proteasen befinden, an der mRNA entlang und bindet passeine beiden Untereinheiten, und die die für die Zerkleinerung der Proteine send zum nächsten Codon die zuge· mRNA ist frei. Ribosom und mRNA sind zuständig sind. Zuerst wird durch diese hörige AminoacyJ.tRNA an die A-Binalso wieder bereit für eine erneute Pro- Proteasen das lange Protein in kürzere dungsstelle. Mithilfe von Elongationsteinsynthese. Peptidstücke zerschnitten und dann faktoren sowie unter Verbrauch von weiter in die einzelnen Aminosäuren GTP werden das Codon der mRNA zerlegt. Hemmstoffe der Translation und das Anticodon der tRNA mitei· Die einzelnen Aminosäuren werden nander verbunden. Die Translation ist der Angriffspunkt nun entweder wieder in der TransEine Peptidyltransferase, die in der vieler Medikamente. Durch die Wirlation verwendet, abgebaut oder für großen Untereinheit des Ribosoms entkungsweise einiger Anitbiotika wird die Synthese anderer Aminosäuren halten ist, katalysiert nun die Bildung die Proteinsynthese von Bakterien gegebraucht. einer Peptidbindung zwischen der stoppt (I Tab. 1). Aminosäure auf der P-Bindungsstelle und der neu angekommenen auf der A-Bindungsstelle. Die Aminosäu re auf Tetrazyk lin Verhindert die Bindung der Aminoacyl-tRNA an die A-Bindungsste lle der Ribosomen bei Bakterien der P-Bindungsstelle wird hierbei von ihrer tRNA abgelöst, und die wachsende Streptomycin Führt zum Abbruch der Translation, indem es den Übergang von Initiation zu Elongation verhindert Peptidkette hängt nun komplett an der ChlorampheHemmung der Peplidyltransferase nicol neu angehängten Aminosäure und deren tRNA- eine PeptidyHRNA. Die I Tab. 1: Antibiotik a - Hem mstoffe der Tra ns latio n, die man gegen bakterielle Infektion en ein setzt. tRNA der P-Bindungsstelle wird entfernt und die Peptidyl-tRNA von der A- auf die P-Bindungsstelle verschoben. Zusammenfassung Das Ribosom wandert wiederum ei n X Bei der Translation wird die auf der mRNA in Codons gespeicherte InforCodon auf der mRNA weiter. Auch hierbei wird wieder GTP verbraucht, mation für die Synthese von Proteinen mithilfe von tRNAs entschlüsselt. zusätzlich werden Tranlokationsfak• Die Proteinbiosynthese findet an den Ribosomen statt. Diese bestehen aus toren benötigt. Die wieder fre igeworzwei Untereinheiten, die sich für diesen Vorgang zusammenlagern. Es gibt dene A·Bindungsstelle kann nun eine Bindungsstellen für die tRNA und die mRNA. neue Aminoacyl-tRNA aufne hmen, und eine weitere Aminosäure kann an die X ln der Initiationsphase wird als erste Aminosäure stets Methionin am Ribowachsende Peptidyi-Kette gebunden som befestigt. Hieran wird dann in der Elongationsphase durch die Bildung werden. von Peptidbindungen die restliche Peptidkette nach und nach angeknüpft. Oie Ableaerichtuns der mRNA Ist von nach 3', die Proteinkette wiehat vom N
~·
X Der Abbau der Eiweiße findet durch Proteasen statt. Dieser Prozess, auch Proteolyse genannt, findet im Proteasom statt.
Prozessierung und Zielsteuerung von Proteinen Schon während und auch nach der Translation werden die entstehenden Proteine weiter verändert, damit sie ihre spätere biologische Fu nktion erfüllen können. Man spricht von ko- und posttranslationeHer Modifizierung. Nach der Translation werden die Proteine zuerst gefaltet. Dann werden sie weiter verändert und erhalten Signalsequenze n, die dafür sorgen, dass die Proteine an ihr Ziel, ihren Wirkungsort in der Zelle gebracht werden. Zuletzt erfolgen weitere Prozessierungen wie beispielsweise Glykosylierung. Prozessierung der Proteine Faltung
Als Primärstruktur der Proteine bezeichnet man die Abfo lge der Aminosäuren, die in der Translation aneinandergebund en werden. Schon während der Synthese und auch posttranslationeil werden die Proteine nun gefalten , es entsteht die Tertiärstruktur. Die Faltung übernehmen vor allem sog. Chaperone , Moleküle, die an die wachsende Peptidkette binden und diese erst freigeben, wenn das Protein fertig gefaltet wurde. Eigentlich ist Faltung ein thermodynamisch regulierter Prozess, der von selbst abläuft. Um ihn zu beschleunigen, sind jedoch noch weitere Faktoren nötig, wie die PeptidylProlyl-Isomerase und die Proteindisulfid-Isomerase. Das fertig gefaltete Protein wird stabilisiert durch die Ausbildung von Wasserstoffbrücken innerhalb des Proteins und durch Wechselwirkungen, den Van-der-Waals Kräften zwischen den unterschiedlich geladenen Aminosäuren. Modifizierung
Viele Proteine werden nach der Translation modifiziert. Die wichtigsten Modifizierungsmechan ismen sind folgende: ~
Glykosylierung: Hierbei handelt es sich um die am häu-
figste n stattfindende Proteinmodifizierung, es wird eine Kohlenhydratkette ans entstandene Protein gebunden. Sie findet entweder im Lumen des endoplasmatischen Retikulums oder im Golgi-Apparat statt. Intrazelluläre Proteine werden im Gegensatz zu extrazellulären, lysosomalen und Membranproteinen nicht glykosyliert. Die Glykosylierung erhöht beispielsweise die Löslichkeit von Plasmaproteinen , gibt dem Protein mehr Stabilität, schützt so vor dem Abbau durch Proteasen und erleichtert es anderen Molekülen, das Protein zu erkennen. ~ Phosphorylierung: Durch Phosphorylierung werden viele Proteine und auch Enzyme reversibel aktiviert bzw. inaktiviert. ~ Hydroxylierung: Dies geschieht vor al lem in Kollagenen. Hier werden die in den Proteinen enthaltenen Aminosäurereste Prolyl und Lysyl hydroxyliert. Dies ermöglicht unter anderem die Ouervernetzung des Ko llagens. ~ Acetylierung: Ans n-terminale Ende vieler Proteine wird eine Acetylgruppe angehängt. ~ Carboxylierung: Diese Modifizierung findet am Glutamat statt. Dies ist wichtig für die Entstehung einiger Blutgerinnungsfaktoren .
Zielsteuerung der Proteine
Proteine gelangen nach der Synthese an den Ribosomen an ihren endgül tigen Bestimmungsort. Dies ist durch Signalsequenzen auf der mRNA kodiert. Eine erste Sequenz legt fest, ob die komplette Synthese der Proteine an freien Riboso men stattfindet. Dies ist bei Proteinen der Fall, die nach Beendigung der Translation im Zytosol bleiben. Synthetisiert ein Ribosom ein sekretorisches Protein, so wird es während der Translation am rauen ER fixi ert, und das Protein wird ins Lumen des rER abgegeben. Eine weitere Signalsequenz bestimmt den endgültigen Zielort der fertiggestellten Proteine. Dieser kann innerha lb oder außerhalb der Zelle sein (I Abb.l ). Proteine im Inneren der Zelle
Enthält die mRNA nur eine Signalsequenz, so findet die komplette Translation an den freien Ribosomen der Zelle statt. Zytosolische Proteine Proteine, deren Wirkungsort im Zytosolliegt, werden nach Fertigstellung von den Ribosomen ins Zytosol abgegeben und können dort ihre Funktion erfüllen. Mitochondriale Proteine Ein Teil der Proteine, die in den Mitochondrien vorkommen werden von diesen selbst synthetisiert. Die restlichen müsse~ 1m Zytosol hergestellt werden und dann durch die doppelte Membran, welche die Mitochondrien umgibt, in ihr Inneres transportiert werden. Für den Transport über die Membran sind Proteine nötig. Sog. TOM-Proteine ermöglichen den Transport der Proteine über die äußere Mitochondrienmembran, die TIM-Proteine den über die innere. Um durch die Membran zu gelangen, müssen die Proteine vollkommen entfaltet sein. Nach dem Transport wird die Signalsequenz die das Protein ins Mitochondrium gelenkt hat, von einer ' Signalpeptidase abgespalten, und somit kann das Protein nicht zurück ins Zytosol gelangen. Nukleäre Proteine Protei ne, die für den Zellkern bestimmt sind, tragen so genannte Kernlokalisationsse quenzen, auch NLS (nuclear localisation signal) . Durch Ke rnpore n können die Proteine in den Zellkern gelangen. Diese Poren können in offenem ~ Protein~ Endoplasmatisches Retikulum
Zytosol
Mitocho~ 1
------.....
!
Zellkern
Golgi-Apparat
Peroxisomen
.--- 1-------... Membra ne
Sekretion
Lysosomen I Abb. 1: Transportwege von Proteinen
11
Genetik
oder geschlossenem Zustand vorliegen, nur in offenem Zustand ist ein Proteintransport möglich. So besteht die Möglichkeit, den Transport von Proteinen in den Kern genau zu regulieren. Kleine Proteine können bei geöffneten Poren durch einen zentralen Kanal ins Innere des Kerns gelangen. Bei großen Proteinen ist hierfür ein aktiver Transportprozess nötig. Peroxisomale Proteine Proteine, deren Ziel die Peroxisomen sind, enthalten eine kurze Signalsequenz, die das Ziel angibt. Sie werden komplett an den freien Ribosomen synthetisiert und ansch ließend ins Innere der Peroxisomen abgegeben.
am rauen ER nicht in dessen Lumen abgegeben. Sie enthalten eine Signalsequenz, die während der Translation zum Verschluss des Translokationskanals führt. So werden die Proteine in der Membran des ER verankert. Neue Membranen werden aus Membranen des ER und des Golgi-Apparats hergestellt, die in der Membran benötigten Proteine werden somit gleich bei ihrer
44145
Synthese dort eingebaut, wo sie gebraucht werden. Lysosomale Proteine Lysosomale Proteine wandern ebenfalls zum Golgi-Apparat. Hier find et auch die Herstellung der Lysosomen statt. Die Proteine werden wiederum in Vesikeln verpackt und an die Lysosomen abgegeben.
Sekretorischer Weg
Nukleus
' .-··!
Proteine außerhalb der Zelle
Proteine, die nach der Synthese in den Extrazellulärraum transportiert werden, werden nicht komplett an den freien Ribosomen hergestellt. Sie durchlaufen den sekretorischen Weg der Proteinsynthese (I Abb. 2). Eine Signalsequenz, die von sog. Signalerkennungspartik eln erkannt wird, lenkt die Ribosomen ans raue ER, wo sie an einen Rezeptor binden. Hier findet nun die restliche Translation der Proteine statt. Das wachsende Protein wird so am ER fixiert, dass das Protein während der Synthese direkt in einen Translokationskanal wächst, der das Protein ins Lumen des ERs leitet. Sobald die Synthese des Proteins beendet ist, schneidet eine Signalpeptidase die Signalsequenz ab, die den Weg zum ER geleitet hat, und das Protein befindet sich im Inneren des ER. Vom ER aus wandert das Protein als nächstes zum Golgi-Apparat.
Golgi-Apparat
Export
')
\.___/ Lys~om
I Abb. 2: Der sekretorische Weg der Proteine [51
Zusammenfassung X Während und nach der Translation werden die Proteine prozessiert. Es findet eine Faltung statt, durch die die Proteine die Tertiärstruktur erhalten. X Als Nächstes werden viele Proteine modifiziert, was Ihnen unterschiedliche Funktionen verleiht. Hierbei kann es beispielsweise durch eine Phosphorylierung zur Aktivierung von Enzymen oder durch Glykosylierung zu einer
Sekretorische Proteine Sekretorische Proteine, wie zum Beispiel das Hormon Insulin, enthalten keine weiteren Signalsequenzen mehr. Sie werden im Golgi-Apparat in Vesikeln verpackt, wandern dann an die Zelloberfläche und werden dort sezerniert. Membranproteine Proteine, die in eine Membran ei ngebaut werden, werden bei der Synthese
Stabilisierung der Proteine kommen. X Proteine, die fürs Innere der Zelle bestimmt sind, werden komplett an den freien Ribosomen translatiert. Ihr Zielort können das Zytosol, die Mitochondrien, der Zellkern oder Peroxisomen sein. X Proteine fürs Zelläußere werden am rauen ER zu Ende synthetisiert. Sie durchlaufen den sekretorischen Weg und werden entweder in den Extrazellulärraum sezerniert, in Membranen eingebaut oder zu lysosomalen Proteinen.
Regulation von Zellwachstum und Genexpression Wachstum, Proliferation und Differenzierung von Zellen unterliegen im mehrzelligen Organismus strengsten Kontrollmechanismen, da nur so eine optimale Funktion des Gesamtorganismus gewährleistet werden kann. Was passiert, wenn die Proliferation einer Zelle außer Kontrolle gerät, wird uns in der Klinik leider viel zu oft vor Augen geführt: Es kommt zur Entstehung von Krebs. Zellzyklus
Als Zellzyklus (I Abb. 1) bezeichnet man den Kreislauf der Zelle zwischen einer Zellteilung und der nächsten. Man unterteilt den Zellzyklus in verschiedene Phasen:
faktorenoder Zytokine (s. Kap. 82 und 98) sein. Meistens wirken mehrere Signale gleichzeitig auf eine Zelle, und erst deren Kombination entscheidet darüber, was mit der Zelle geschieht, also ob sie sich teilt, differenziert oder spezialisiert. Das Signalmolekül dockt an den Rezeptor der Zielzelle an und setzt eine Kas· kade in Gang, die letztendlich zum Ziel hat, das Muster der Genexpression insoweit zu veränd ern, dass die Zelle je nachdem, was gewünscht wird entweder zur Proliferation oder zur Differenzierung veranlasst wird. Dies kann über verschiedene Mechanismen geschehen, die aber alle entweder die Aktivierung eines Transkriptionstaktors oder die Inaktivierung von Inhibitoren ei nes Transkriptionstaktors zur Folge ha· ben, was zum gleichen Ergebnis führt.
11>- Die Teilung der Zelle spielt sich in der Mitose-Phase (M-Phase) ab. Die einzelAktivierung du rc h Tyrosi nkinasenen Schritte der Zellteilung (Prophase, Rezepto ren Metaphase, Anaphase, Telophase) dürfDie meisten Wachstumsfaktor-Rezeptoten jedem aus dem Biologieunterricht ren sind Tyrosinkinasen, die sich nach bekannt sein. Bindung des Signalmoleküls autophos11>- Bevor die Zelle geteilt werden kann, phorylieren. Im phosphorylierten Zumuss ihre DNA verdoppelt werden (Replikation), was in der S-Phase (Syn- stand können sie Adapterproteine (z. B. Grb) binden, die wiederum Andockthese- Phase) geschieht. stellen für weitere Proteine (z. B. Sos) 11>- Die Zeit, die zwischen der Mitose und der nächsten DNA-Replikation ver- besitzen. geht, bezeichnet man als G 1-Phase, die Beispiel: Die Bindung eines Wachstumshormons an seinen Rezeptor bewirkt Zeit zwischen der DNA-Synthese und Autophosphorylierung. Nun dessen -Phase G als der Zellteilung wiederum 2 Grb-Protein (= growth factor ein kann Lücke). (das G steht hierbei für gap, also binden, das wiederum daran bound] 11>- Eine Zelle kann sich auch komplett Andockstellen für weitere Proteine aus dem Zellzyklus ausklinken und für bietet, wie z B. für Sos (= son of sevensehr lange Zeit ruhen, ohne sich zu less), einem Ras-Aktivator-Protein. teilen. Sie befindet sich dann in der Dieses bewirkt durch den Austausch G0 -Phase. Manche Zellen verbringen von GDP gegen GTP am Ras-Protein ihre ganze Lebensdauer ohne zu proliferieren in dieser Phase (z. B. Motoneu- dessen Aktivierung, wodurch wiederum eine Phosphorylierungs-Kaskade (die ronen). sog. Ras-Kaskade) in Gang gesetzt wird.
GI"", S.. und Gr.Pflase fasst man auch als Interphase zusammen.
Regulation des Zellwachstums
Eine Zelle proliferiert in der Regel nur, wenn sie durch ein bestimmtes Signal dazu angeregt wird. Diese Signale werden von anderen Zellen ausgeschüttet und können zum Beispiel Wachstums-
Di e Ras- Kaska de
Die Ras-Kaskade dient der Übertragung des Wachstumshormonsignals von der Plasmamembran in den Zellkern über eine Reihe von Proteinkinasen, di e sich nacheinander phosphorylieren und dadurch aktivieren. Die Reihenfolge ist dabei folgende: aktiviertes Ras phosphoryliert Raf (Serin/ Threonin-Kinase) - > aktiviertes Raf phosphoryliert MEK
(Serin/Threonin-Kinase] --t aktiviertes MEK aktiviert die MAP-Kinase. Diese kann die Kernmembran passieren und Genregulatorproteine phosphorylieren die dadurch aktiviert werd en und auf ' die Genexpression Einfluss nehmen können. Neben Ras-Aktivator-Proteinen (z. B. Sos) gibt es auch In hibitoren der RasKaskade. Das Protein GAP (GTPase aktivierendes Protein) führt zur Hydrolyse des am Ras gebundenen GTP zu GDP und hat somit dessen Inaktivierung zur Folge. Wirk ung von Wac hst umsfa kto r en über die Inakti vi erung von Rb
Das Rb-Protein (Rb steht für Retinablastom, da es in diesem Zusammenhang zum ersten Mal beschrieben worden ist) inhibiert in ruhenden Zellen einen Transkriptionstaktor (E2), der für di e Einleitung der S-Phase von Bedeutung ist. Die Funktion des Rb- Proteins ist somit die Hemmung der Proliferation, was ihm eine zentrale Roll e in der Wachstumsregulation eingebracht hat. Wachstumsfaktoren können zur AktiVierung bestimmter Kinasen führen, die Rb phosphorylieren und damit inaktivieren · Die Hemmung von Genaktivatoren durch Rb ist nun aufgehoben, und es kommt zur Zellproliferation. Diese Kinasen sind Cyclin-abhängig und werden daher auch als Cyclin-abhängige Kinasen (Cdk = Cyclin-dependent kinases) bezeichnet. Bedeutung der Cyclin e
Cycline sind Protei ne, die sich während des Zellzyklus zyklisch auf- und wieder abbauen (daher auch der Name). Es gibt verschiedene Arten von Cyclinen, die jeweils typischerweise in einer Phase des Zellzyklus in hoher Konzentration vorkommen. Man geht daher davon aus, dass Cycline in Zusammenarbeit mit den Cdk für den Eintritt der Zelle in die verschiedenen Zell zyklusphasen benötigt werden (I Abb. I). Zellzyklus-Kontrollsystem
Um eine gefürc htete unkontrollierte Zellproliferation zu vermeiden, hat der Körper ei n Kontrollsystem entwi ckelt
'
...
Genetik
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Genexpressionsmuster, ablaufen. Die Bedeutung der Genregulation wird einem sehr deutlich vor Augen geführt, wenn man überlegt, wie viele morphologisch und funktionell unterschiedlich e Zellarten wir haben, die aber alle über die gleiche DNA verfügen. Der Trick dabei ist, dass sie verschiedene Gene exprimieren und daher ganz unterschiedliche Proteine synthetisieren.
Transkriptionstaktoren Die Genexpression wird meist auf der Stufe der Initiation der Transkription gesteuert, hier entscheidet sich also, ob ein Gen exprimiert wird oder nicht. Für die Transkription eines Gens benötigt die RNA-Polymerase die Hilfe von Transkriptionsfaktoren, die sie am Promotor positionieren und ihr somit die Initiation ermöglichen .
I Abb. 1: Zellzyklus und Einfluss der Cycl in e [16]
mit dem die Schritte des Zellzyklus ständig überwacht werden können_ Ein wichtiger Kontrollpunkt ist der Restriktionspunkt zwischen der G1 und der S-Phase_ Hier wird grünes Licht für die DNA-Replikation gegeben (oder eben nicht) . Am G2 /M-Kontrollpunkt wird die replizierte DNA gründlich nach Fehlern untersucht, bevor die Zelle zur Mitose zugelassen wird.
Rolle des p53 Weiter oben ist die Rolle des Rb-Proteins in der Zellzykluskontrolle bereits besprochen worden. Ein weiteres Protein, das die Zellproliferation hemmt, ist das p53. Will sich eine Zelle mit fehlerhaftem Genmaterial tei len, oder sind während der Replikation DNA-Schäden aufgetreten, so spürt p53 diese auf und veranlasst das Anhalten des Zellzyklus, bis der Schaden repariert worden ist. Lässt sich der Fehler nicht mehr beheben, so leitet es den programmierten Zelltod (Apoptose) ein (s. Kap. 48). p53 ist ein Transkriptionsfaktor, der durch DNA-Schäden aktiviert wird, und daraufhin die Transkription eines Proteins (p21) initiiert. p21 ist ein Inhibitor von Cyclin-Cdk-Komplexen, der verhindert, dass der Zellzyklus in die nächste Phase übergehen kann. Dies führt zum Arrest des Zellzyklus v. a. am G/ S- aber auch am G/M-Übergang, was die Entstehung somatischer Mutationen - und damit die Krebsentstehungverhindern soll (s. Kap. 48)_ Aufgrund dieser Kontrolleigenschaft wird das p53 auch als "Wächter des Genoms" bezeichnet.
..,. Allgeme ine Transkriptionstaktoren sind sehr unspezifisch und für jede Transkription notwendig. Sie kommen ubiquitär vor und sind weniger an der Genregulation beteiligt. .".. Die spezifisc hen Transkriptionstaktoren sind die tatsächlichen Regulatoren der Genexpression. Sie binden an DNA-Abschnitte mit spezifischen Sequenzen, sog. Enhancer oder Silencer, und vermitteln über diese eine Steigerung oder Verminderung der Expressionsrate. Solche regulatorischen Transkriptionstaktoren stehen oft am Ende einer Signalkaskade, die durch die Bindung eines Effektors an einen Rezeptor ins Rollen gebracht wird. Die Aktivität eines Transkriptionstaktors kann beispielsweise über Ligandenbindung (Steroidhormone), Phosphorylierungen oder Konzentrationsänderungen gesteuert werden.
Zusammenfassung ac Der Zellzyklus wird in vier Phasen unterteilt (M-, G,-, S- und G2-Phase). • Zellen müssen durch Signale (z. B. Wachstumshormone) zur Proliferation bzw. Differenzierung angeregt werden. • Rb und p53 sind Proteine, die den Zellzyklus kontrollieren. Rb verhindert die Einleitung der 5-Phase. p53 kann beim Auftreten von DNA-5chäden den Zellzyklus stoppen und so die Entstehung somatischer
Allgemeine Prinzipien der Genregulation
Im Zusammenhang mit Zellwachstum und -differenzierung, aber z. B. auch bei der interzellul ären Kommunikation (Hormonwirkungen etc.) spielen Regulationsmechanismen eine Rolle, die auf genetischer Ebene, also über Änderungen im
Mutationen verhindern. • Die Genexpression wird über spezifische Transkriptionsfaktoren, die an regulatorische DNA-5equenzen (Enhancer, Silencer) binden, gesteuert.
DNA-Schäden, Reparatur und Onkogenese Damit in folge von DNA-Schäden keine gefährlichen Mutationen entstehen, verfügen wir über ausgefeilte Reparatursysteme, die Fehler in der DNA schnell erkennen und reparieren können. Diese Reparatursysteme sind vor allem auf die Korrektur spontaner DNA-Veränderun gen spezialisiert, daher sind Entstehung und Proliferation mutierter Zellen (Onkogenese) oft auf das Einwirken eines Mutagens zurückzuführen.
DNA-Schäden Entstehung von DNA-Defekten
Man unterscheidet bei der Entstehung von Mutationen drei Mechanismen:
Jung in der G2 ·Phase noch einmal kontrolliert und ggf. repa riert wird.
men (Insertion) sind. Betrifft eine Mutation nur eine ei nzelne Base, wird sie als Punktmutation bezeichnet.
Folgen einer Mutation
Bei der Substitution werden einzelne Basen durch and ere Basen vertauscht_ Oft ha t eine Substitution - auch wenn sie in ei nem kodierenden Bereich liegt_ keme Konsequenzen, da verschiedene Basen-TripJetts für dieselbe Aminosäur kodieren können( = stille Mutation) . e lll> Deletionen und Insertionen sind insofern problematisch, da es durch d Fehlen bzw. Hinzu kommen einer Ode~s mehrerer Basen zu einer Leserasterverschiebung (= Frame-shift-Mutation ) kommen kann, was dazu führt, dass eine falsche Aminosäure nach der anderen aneinandergereiht wird (I Abb. 1) . lll> Chromosomenmutationen sind Mutationen größerer DNA-Abschnitte, denen der Bruch eines Chromosoms vorausgeht, und die zu strukturellen Verä nderungen des Chromosoms führen. Man unterscheidet hier den Verlu . Chromosomenbruch stücks (De- st emes letion), den spiegelverkehrten Einbau eines Bruchstücks ins Chromosom (Inversion) und den Austausch von Bruchstücken zwischen zwei Chromosome n (Translokation). lll>
Wird ein DNA-Sc haden nicht durch einen der Reparaturmechanismen beseitigt, so ist eine Mutation entstanden. Diese bleibt erhalten und wird bei jede r Zellteilung an die Tochterzelle weitergegeben. Oft hat eine Mutation keinerlei Folgen für den Gesamtorganismus, z. B. wenn die Mutation in einem Bereich der DNA geschieht, der keine Bedeutung hat (z . B. Introns, nicht kodierende DNAAbschnitte), oder wenn der Schaden nur zum Untergang dieser einzelnen Zelle führt. Somati sch e Mutati onen
Mutiert eine somatische Zelle, also eine Zelle irgendeines x-beliebigen Körpergewebes, so besteht di e Gefahr, dass Gene betroffen sind, die für das Zellwachstum oder die Zelldifferenzierung zuständig sind. Dies ist insofern problematisch, da es dadurch zum unkon· trollierten Wachstum eines Zellklons kommen kann (Onkogenese, s. u. ), was natürlich schlimme Folgen für den Gesamtorganismus hätte.
..,. Einerseits kommt es immer wieder zu spontanen Veränderungen der DNA. Am wichtigsten sind hierbei spontane Desaminierungen an den Nukleotiden, wodurch z. B. Cytosin in Uracil oder Adenin in Hypoxanthin überführt wird . Da diese Nukleotide normalerweise nicht in der DNA vorkommen, werden sie von Reparatursystemen erkannt und durch die richtige Base ersetzt. Eine andere Ursache für spontane DNA-SchäKeimbahnmut ation en den ist die thermische Depurinierung, wichtigsten Folgen von KeimbahnDie d. h. die Abspaltung der Purinbase von mutationen sind Enzymdefekte. Mutiert der Desoxyribose. eine Keimbahnzelle im Bereich eines ..,. Induzierte DNA-Schäden entsteGens, das für ein Enzym kodiert, so hen durch das Einwirken exogener wird dieser Defekt an alle weiteren Mu tagene. Bei diesen handelt es sich TochterzeLlen weitergegeben. Das Kind, (Farbstoffe, Stoffe meist um chemische das diesen Enzymdefekt geerbt hat, Konservierungsstoffe, Zigarettenrauch usw.) oder energiereiche Strahlung (z. B. trägt ihn also in allseinen Zellen, was je nach betroffenem Gen zu unterschied· UV-Licht, radioaktive Strahlung), aber lichsten Erkrankungen führen kann . auch manche Viren (z. B. Retroviren) können die DNA ihrer Wirtszelle schädigen. ..,. Zuletzt können auch während der Replikation DNA-Schäden entstehen. Nicht selten baut die DNA-Polymerase Fehler in den Tochter-Strang ein, die Arten von Mutationen aber in der Regel durch ein "hauseigenes" Reparatursystem der DNA-Polyme- Man unterscheidet bei den DNA-Mutationen verschiedene Formen, je nachrase sofort behoben werden. Nur ein dem, ob Basen vertauscht worden (SubsBruchteil der Fehler bleibt unentd eckt, titution), verloren gegangen (Deletion) hat, zen Konsequen was aber auch kaum zusätzliche Basen hinzugekomoder da die replizierte DNA vor der Zelltei-
Schutz vor Mutationen DNA-Repa ratu rsysteme
Bei der Aktivierung der Reparatursysteme spielt das p53-Protei n eine entscheidende Rolle. Dessen Konzentrati · Auf treten größerer DNA- on ste1·gt be1m Schäden durch bisher ungeklärte Mechanismen rasch an, und führt zu ein em Arrest des Zellzyklus. Nun kann die Reparatur eingeleitet werden. Sind die Schäden zu groß, als dass sie noch beh ben werden können, aktiviert das p5 3 oeine Protein-Kaskade (Caspasen), die den programmierten Zelltod (Apoptos ) e der Zelle induziert. Ablauf der Reparatur
Wird ein fehl erhafter DNA-Abschni tt entdeckt, so wird die betroffene Base erst einmal durch ine DNA·GlykosyJ herausgeschnitten. Eine Endonukleas ase entfernt ansc hließend das verbleibend:
...
Genetik
ohne Mutation
I Abb. I : Schematisc he Darstellung ein er Frame-shift-
48149
Kontrolle von Zellwachstum und Proliferation beteiligt ist.
Mutation
Protoonkogene und Tumorsuppressorgene mit Mutation -
Bildung eines neuen Proteins
-nun basenlose - Desoxyribosephosphat aus der DNA (Basen-Exzisionsreparatur). Die Nukleotid-Exzisions reparatur läuft ähnlich ab, mit dem Unterschied, dass die entfernten DNAAbschnitte in der Regel länger sind und das Nukleotid komplett inklusive Base und Desoxyribosephosphat herausgeschnitten wird. Einzelstrang- vs. Doppelstrangschäden
Ist nur ein Strang geschäd igt (Einzelstrangschaden), kann der korrekte
leitet sie zum Schutz des Gesamtorganismus ihren eigenen Zell tod ein. An diesem Vorgang ist das p53 maßgebend beteiligt (s.o.). Oft wird die Apoptose auch durch benachbarte Zellen induziert, was dann meist im Rahmen von physiologischen Reaktionen geschieht (z. B. Einleitung der Menstruationsblutung) und durch Botenstoffe (Zytokine wie TNF-a, Glukokortikoide usw.) vermittelt wird. Am Apoptosevorgang sind eine Reihe von proteolytischen Enzymen, die sog. Caspasen, und die Mitochondrien beteiligt. Die Caspasen sind Cystein-Proteasen, die hinter Aspartat schneiden und die Zerstörung der Zelle bewerkstelligen.
Strang als Matrize für die Neusynthese des fehlenden Abschnittes durch die DNA-Polymerase-a verwendet werden. Die DNA-Ligase verbindet zuletzt das neu entstandene Nukleotidstück mit der ursprünglichen DNA. Die Reparatur von Doppelstrangschäden, die vor allem infolge ionisierender Strahlung auftreten, ist etwas komplizierter. Das Reparatursystem kupfert Onkogenese hierbei die korrekten Nukleotidsequenzen vom homologen Chromosom ab, Krebs entsteht, wenn sich eine Zelle und kann so den korrekten Strang wieden Mechanismen der Wachstumsreguderherstellen (homologe Reparatur). lation entzieht und sich unkontrolliert Bei der fehlerbehafteten, nicht homolo- teilt. Dies geschieht infolge einer Mutagen Reparatur werden di e geschäd igten tion in einem Genabschnitt, der an der und noch einige intakte Nukleotide entfernt, bis beide Stränge mehr oder weniger übereinstimmen und wieder Zusammenfassung zusammengefügt werden können.
Gene, die für Proteine kodieren, die das Wachstum bzw. die Proliferation einer Zelle aktivieren (z. B. ras), bezeichnet man als Protoonkogene (oder c-Onkogene). Gene, die für Proteine kodieren, die Zellwachstum hemmen oder kontrollieren (z. B. p53 oder rb), bezeichnet man als Tumorsuppressorgene. Zum unkontrollierten Wachstum kann es nun durch Überexpression von Protoonkogenen ("gain of function mutations") oder Funktionsverlust von Tumorsuppressorgenen ("loss of function mutations") kommen. Beispiele für Krebsentstehung
.,._ Durch eine Punktmutation in einem Protoonkogen (z. B. ras) entzieht es sich der Kontrolle regulierender Proteine und wird dadurch zu einem echten Onkogen. .,._ Werden DNA-Segmente, die ein Protoonkogen enthalten, dupliziert (Genamplifikation), kommt es zu einer Überexpression dieses Protoonkogens und damit zur Krebsentstehung. .,._ Ein Protoonkogen gerät unter die Kontrolle eines fremden Promotors und wird dadurch überexprimiert (z. B. infolge einer Chromosomentranslokation).
X Eine Mutation kann spontan geschehen oder durch ein Mutagen induziert
Apoptose
Im Gegensatz zur Nekrose, die ein unkontrolliertes Absterben einer Zelle infolge einer starken Schädigu ng darstellt, ist die Apoptose ein kontrollierter Vorgang, der ein geplantes Zugrundegehen einer Zelle zur Folge hat. Ist eine Zelle irreparabel gesc hädigt (z. B. in fo lge von DNA-Schäden) oder herrscht innerhalb einer Zelle Sauerstoffmangel, so
sein. X Mutationen können Körperzellen (somatische Mutation) oder Keimbahnzellen (Keimbahnmutation) betreffen, was unterschiedliche Auswirkungen hat. X Es gibt Kontroll- und Reparatursysteme, die DNA-Schäden aufspüren und reparieren können. Ist der Schaden irreparabel, wird der programmierte Zelltod eingeleitet (Apoptose). X Mutationen in Genen, die das Zellwachstum regulieren (Protoonkogene, Tumorsuppressorgene), können zur Krebsentstehung führen (Onkogenese).
Gentechnologie DNA-Technologien nehmen in der heutigen Zeit immer mehr an Bedeutung zu und haben uns schon zahlreiche Erkenntnisse über genetisch bedingte Erkrankungen ge bracht. Versuche zur Gentherapie stellen einen vielversprec henden, aber auch umstrittenen Ansatz in der Behand lung bisher unheilbarer Erkrankungen dar. Die wichtigsten Methoden in der DNA-Technologie werden in diesem Kapitel beschrieben. Polymerase-Kettenreaktion
Die Polymerase-Kettenreaktion (= polymerase chain reaction, PCR) ist eine Methode zur Vervielfältigung einer bestimmten DNA-Sequenz. Hierbei kann aus jeder DNA eine beliebige Nukleotidsequenz schnell und selektiv ampl ifiziert werden.
Das Prinzip der Polymerase-Kettenreaktion ist relativ einfach: Es funktioniert ähnlich wie die Replikation, im Gegensatz zu dieser wird hier aber selektiv nur ein bestimmter Teil der DNA repliziert. Man benötigt hierzu die dazugehörigen Primer (=kurze DNA-Einzelstrangstücke aus ca. 20- 30 Nukleotiden), die die zu amplifizierende DNA-Sequenz vorgeben, sowie Nukleotide (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) als Bausteine für die neu gebildete DNA. Als Enzym wird eine hitzestabile DNA-Polymerase verwendet. Ein PCR·Zyklus erfolgt folgendermaßen: .,.. Durch Erhitzung auf ca. 90 oc wird der DNA-Doppelstrang getrennt (Denaturierung). .,.. Die anschließende Abkühlung der Reaktionslösung ermöglicht den Primern, an die DNA-Matrize zu binden (PrimerAnnealing). .,.. Im letzten Schritt verlängert die Polymerase den Prim er, mit dem Endresultat, dass der gewünschte DNA-Abschnitt
-r-r-r-r-r-r-r-r-.r-.r-.r-rT-rT-rTTTTTT 5'
~: 1111 11111111111 111111 1111 Erhitzen 3'
3'
l
I I I I I I I II I I I I I I I I I I I II I I I
5 '
r
1. Schritt '-"-nn- u-ng' l gt-re an"" tr.:..: S"-
1 -.
5. I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 3' Abkühlen 3'
5
•
Primer
I I I lill l I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I Im
r
5' ~2~ itt________, hr~ . S=c~ Anl agerung des
I I I I 3'
Pnmers (= Hybridisierung)
DNA-Polymerase
+ Nukleolides (dATP , dGTP , dCTP, dTTP)
3
,
3- ~ 5
,
I I I II I II I I I I I I I I I I•I I I~ ~: I I I I I I I I I I I I I I I II I l I l 51 1 1 1 3, 1 1 1~-
1 Abb. 1: Ein Zyk lus der Polymerase-Kettenreaktion
3
--, 0 - yn 1 ese ausgehend vom Pnmer
Ach_Srit_t -h r--·Ns_
verdoppelt wi rd (Elongation). Für optimale Arbeitsbedingungen der Polymerase muss eine für sie spezifisc he Temperatur gewäh lt werden. Diesen Zyklus ka nn man nun beliebig oft wiederholen, Wobei sich die Zahl der geb ildeten Doppelstränge bei jedem Zyklus verdoppelt. So erhält ma n nach 2, 3, 4 oder 5 Zyklen, die 4 _ 8-, 16-, bzw. 32-fache Menge der ursprünglichen DNA. Wie: derholt man den Zyklus 30-mal, erhält man im Optimalfall die 230.Fache Menge. Genanalyse
Diese Method e zielt darauf hin, einzelne Gene innerhalb des gesam ten Genoms darzustellen und zu analysieren. Dies kan beispielsweise sinnvoll sein , um herauszufinden, ob ein Kind n dessen Eltern heterozygote Träger einer vererbbaren Krank- ' heit sind, gesund oder krank sein wird. Der Nachweis geschieht in mehreren Schri tten: .,.. I. Isolation der DNA aus den Zellen der zu untersuchenden Person [z. B. ungeborenes Kind ), .,.. 2. Fragmentierung der DNA mithilfe von Restriktionsendonukleasen, .,.. 3. Elektrophoretische Auftrennung auf einem Agarosegel und anschließende Fixierung der DNA auf einem Nylonfilte .,.. 4. Sichtbarmachen der spezifisc hen, zu untersuchenden r, DNA-Sequenz mittels Hybridisierungstechn iken. Restriktionsendonukleasen
Restriktionsendonukleasen (RE) sind bakterielle Enzyme, die DNA in viele kleine Fragmente zersc hn eiden können . Den Bakterien dienen sie als Schutz vor fremd er DNA (Ph agen), im Menschen kommen sie nicht vor. In der Gentechn logie werden diese dazu verwendet, isolierte DNA in Stück oe definierter Länge zu zerschneiden. Hierbei binden die verschiedenen REs an jeweils für sie spezifische Nukleotidseq uenzen und schneiden die DNA in der Bindungsstelle du rch . Diese Schnittstellen für REs bestehen aus 4- 8 Basenpaaren und sind meist palindromisc h aufgeba ut, wie z. B. die Sequenz CAGCTC (die komplementären Basen, von hinten gelesen, ergeben die gleiche Sequenz). Gelelektrophorese
Geladene Makromolekü le wie Protei ne und Nukleinsä uren lassen sich aus einem Molekülgemisc h heraustren nen, inde man sie auf ein Gel aufträgt (sog. Träger-Gel), und an diesesrn ein elektrisches Feld anlegt. Die verschiedene n Moleküle wandern aufgrund ihrer Eigenschafte n auf dem Gel mit unt sc hiedlicher Ges~hwin.d igkeit. Die Wand_erungsgeschwindig~r keit eines Molek uls han gt von semer Große, Fo rm und Nettoladun g ab sowie von der ange legten pan nung. So kommt auf dem Gel zu r Bildung verschiedener Banden, die jeweu:s identisc he Molek üle enthalten.
Geneti k
Hybridisierung
quenz beliebiger DNA herausfinden. Diese inzwischen automatisierte TechDarunter versteht man die radioaktive nik ermöglichte die EntschlüsseJung des Markierung interessierender DNAgesamten menschli chen Genoms. Bei Sequenz en. Zunächst trenn t man die der Technik der DNA-Sequenzierung beisolierte, bereits durch Restriktionsendo- gi nnt man ähnlich wie bei der PCR. Die nukleasen zerkleine rte, menschliche zu sequenzierende DNA wird zunächst DNA durch Erhitzen auf I 00 oc in ih re erhitzt, wodurch eine einzelsträngige Einzelstränge. Anschließend gibt man DNA-Matrize entsteht. Man benötigt eine größere Menge einer radioaktiven zudem einen Primer, der an die Matrize Sonde (mit komplem entärer Nukleotidbindet und die DNA-Synthese initiiert, sequenz zur gesuchten DNA) dazu, daeine DNA-Polymerase, die die Synthese mit diese im Überschu ss vorhanden ist. katalysiert, sowie als Bausteine radioakInkubiert man dieses Gemisch ansch lietiv markierte Nukleotidtriphosphate. ßend über längere Zeit bei 70 oc, finden Der wesentliche Unterschied: Man die Einzelstränge wieder zueinand er macht vier verschiedene Ansätze, denen und verbinden sich (vgl. auch PCR). Da jeweils eine geringe Menge an Di-Desodie radioaktiven Sonden im Überschuss xyribonukleotiden zugefügt wird . In vorliegen, kommt es vorwiegend zu den ersten Ansatz kommt ddATP, in den einer Vereinigung mit diesen, und die ge- zweiten ddTTP, in den dritten ddCTP suchte Sequenz wird sichtbar gemacht. und in den vierten ddGTP. Di-Desoxyribonukleotide sind künstlich hergestellte DNA-Kionierung .~T GCGGGAACCT A TGCA
Die Klonierung ist eine häufig verwendete Methode zur Vermehrung spezieller DNA-Ab schnitte. Dies ist deshalb so wichtig, da für die Untersuchung eines DNA-Abschnitts (beispielsweise eines Gens) in der Regel viele Kopien davon benötigt werden. Dazu verwendet man bakterielle Plasmide, kleine ringförmige DNA-Moleküle, die sich in den Bakterien selbstständig replizieren. Zunächst schneidet man die isolierte DNA mittels Restriktionsendonukleasen in kleinere Fragmente. Mithilfe eines Enzyms, der DNA-Ligase, lassen sich diese wieder miteinander verbinden, oder aber auch in die Plasmid-DNA einbauen. Das veränderte, sog_rekombinante Plasmid dient dann als Vektor für die menschliche DNA, die nun zusam· men mit dem Plasmid autonom mitvermehrt wird . Si nd genügend Kopien entstanden, lässt sich das menschliche Gen problemlos aus dem Plasmid herausspalten, indem man das gleiche Restriktionsenzym verwendet, das man zur Fragmentierun g benutzt hat. DNA-Sequenzierung (nach Sanger}
Durch die im Folgenden beschriebene Methode lässt sich die Nukl eotid-Se-
50
I 51
Nukleotide, die am 3'-Ende nur ein -H, anstatt einer OH-Gruppe enthalten. Wird ein solches Di·Desoxyribonukleo· tid in den DNA-Strang eingebaut, kann die Polymerase den Strang nicht weiter verlängern, und es kommt zum Kettenabbruch. Mit einer Wahrscheinlichke it von I 0% wird an entsprechender Stelle anstatt eines "normalen" Desoxynukleotids, ein solches Di-Desoxynukleotid eingebaut und die Kette unterbro chen. So kommt es in jeder der vier Serien zur Bildung von Fragmenten unterschiedlicher Längen. Die vier Versuchsansätze werden nun nebeneinander auf ein Träger-Gel aufgetragen und die DNA-Fragmente elektrophoretisch ihrer Größe nach getrennt. Die gesuchte Sequenz kann anschließend einfach abgelese n werden. Zum besseren Verständnis sind die vier Versuchsansätze in I Abbildung 2 graphisch dargestellt.
J
DNA-Doppelstrang
TACGCCC TTGGATACGT 5
l TACGCCC TTGGATACGT 5
DNA -Einzelslrang
•·
AT GCG
DNA-Po l ymer<>se
j t
ddAT":l
+ Übe r schuss der Nucleotide dAT P d TT P dC T P dGT P
r dd TT P
ATGCG GGA ATGCG GGAA ATGCG GGAACC TA
ATG~ TGCA
I·
j l I
ATGCGGGAA CCT ATGCGGGAACCTAT
d d CT P
ATGCG GGAAC ATGCG GG AACC ATGCGGGAA CC TAT GC
1
+ ddG T P
ATGCG G ATGCG GG ATGCG GGAACC TA TG
I 3
G A
G
c
T T
A A
G G
A
c
A
T
C
G
G T5
I Abb. 2: Prinzip der DNASequenzierung [ 19]
Zusammenfassung X Die Polymerase-Kettenreaktion ist eine einfache und schnelle Methode zur Ampllflzlerung von DNA-Abschnitten. X Mithilfe von Restriktionsendonukleasen lässt sich DNA selektiv in kleinere Fragmente zerschneiden. X Bei der DNA-Kionierung erreicht man die Vervielfachung eines bestimmten DNA-Abschnittes durch den Einbau in bakterielle Plasmide.
Kohlenhydrate Kohlenhydrate sind eine für unseren Körper wichtige Stoffklasse und ein großer Bestandteil unserer Nahrung. Wir benötigen sie als Substrat für die Energiegewinnung, als Ausgangsstoff für die Synthese von Lipiden und Ami· nosäuren, sie sind Bestandteil der DNA, man findet sie in Membranen, und sie sind an vielen weiteren Prozessen im Organismu s beteiligt.
(o ~
(o ~
/ H
c I* HO-C-H I H- C- OH I HO- C- H I HO-C- H I HO- C-H I
HO H-
Glycerin.
Chi ra lität von Zuckern Unter einem chiralen Zenuum versteht man ein C·Atom mit vier unterschied · liehen Substituenten (I Abb. 1), in un· serem Beispiel also das mit einem Stern markierte C2. Man unterscheidet bei Zuckern zwischen einer D· und einer L·Form. Bei der L-Form des Zuckers hängt die OH·Gruppe auf der linken Seite, bei der D-Form auf der rechten. In der Natur kommen vor allem die D·Formen der Kohlenhydrate vor. Fisch er-Proj ektion Die zweidimensionale Schreibwei se der Zucker nennt man auch Fischer-Projektion. Die Kohlenstoffkette wird in einer senkrechten Reihe angeordnet , wobei
OH
I
H-C-OH
I
H
o-Glukose
das C·Atom mit der höchsten Oxida· tionsstufe oben steh t. Dies ist stets die Aldehyd· oder die Ketogruppe. Die OH -Gruppen der restlichen C-Atome werden je nach Chiralität links oder rechts davon geschrieben (I Abb. I ).
Halbaceta le Kohlenhydrate kommen in der natürlichen Form fast nie in der gestreckten Form vor. Sie bilden eine energetisch günstigere Form, die man Halbacetal nennt: Das Ald ehyd des einen End es reagiert hierbei mit der OH·Gruppe eines C-Atoms am and ern Ende der Ket· te (meist dem vorletzten ) und es kommt zu einem Ringschluss _Di ese Ringform nennt man bei AJdosen Halbacetal, bei Ketosen Halbketal. Die funktio· nellen Gruppen , die man in der FischerSchreibweis e rechts geschrieben hat, werden in der Schreibform der Ringe nach oben geschrieben, die lin ke n dementsprechend nach unten (I Abb. 2). Beim Ringschluss können wiederum zwei un terschiedliche Molekül e entste· hen . Am C !·Atom liegt jetzt nämlich wiederum ein chirales C-Atom. Wird dessen OH-Gruppe nach unten geschrieben, spricht man von der a-Form, steht sie nach oben, entsteht die ß-Form des Rings, in unserem Beispiel der Glukose.
Anzahl der C-Atome
Aldose
Keto•e
3 (Triose)
Glycerinaldehyd
Dihydroxyaceton
4 (Tetro se)
Erythrose
Erythrulose
5 (Pentose)
Ribose
Ribulose
6 (Hexose)
Glukose
Fruktose
Galaktose
H
H- C- OH
L-Glu kose
Monosaccharide sind die kleinsten Ein· heiten der Kohlenhydrate. Übersetzt bedeutet dieser Begriff auch "Einfachzu· cker". Man teilt sie nach verschiedenen Kriterien in Kategorien ein (I Tab. 1). Die kleinsten Monosaccharide besitzen drei C·Atome. Man nennt sie auch Triosen, das Grundgerüst besteht aus
I* I CI CI
I Abb . I : Chiralit ä t vo n Zuc kern, L- und D-Form der Glu kose
H- C- OH
H
Monosac charide
c
/ H
I
Tab . 1: Über sic ht
über di e wi c hti gs ten M o nosaccharide
Di ese beid en Form en sind die Anomere der Gl ukose, ein e Form der Isomer· Ie (siehe Chemie-Lehrbücher).
Hexose n und Pento se n Die wich tigsten Monosaccharide im menschlich en Körper sind Pentosen und Hexose n, die wir nun genauer besprechen wollen. Di e am häufi gsten vorkommende Hexose ist die Glukose_ Sie ist der arn häufigsten natürlich vorkommende organische Stoff und unabdingbar für unse ren Stoffwechsel u~d die Energiegewinnun g im Körper. Uber verschiedene Transporter wird die Glukose au dem Blut in die Zellen aufgenommen s und dort in der Glykolyse abgebaut (s. Kap. 54). Leber und Muskel sind i der Lage, Glukose in Form von Glyko~ gen zu speichern (s. Kap. 58). Fruktose ist die wichtigste Ketohe:x:o Sie ist ebenfalls wichtig in vielen Vorg~e. angenunseres Stoffwechse ls. sind Pentosen Di e für uns relevanten die Ribose, die Bestand teil der RNA . 1St 'b D sowi.e d.Ie esoxyn ose, Baustein d ' er DNA.
Disaccha ride Disaccharid e entstehen, wenn zwisch zwei Monosacchariden eine O-glyl{0 _en sidische Bindung geknüpft wird · D·tes Bindungen werden zwischen den l-fy- e drox yl gruppen zweier Monosaccharid geknüpft. Hierbei wird Wasser abges e Pal. . te n. Je nac h Kon fIguratiOn des ersten Zuckers in der Verbindung sprich t rn an . .d w1 e erum von e;nem a · oder einem ß-Di sacc harid .
Ko h lenhyd ratstof fwech sei
~~~ . ..----.~ ~'6H c;,:
H6~6H OH
a-0-Giukose
H6~
r.~~H
..,_,._--ll_._
..- Maltose besteht aus zwei Glukose· molekülen. Stärke und Glykogen, wichtige Bestandteile in der Nahrung, werden in der Verdauung zu Maltose abgebaut. Diese wiederum wird von der Maltase in die beiden Glukosemoleküle gespalten . ..- Laktose (Milchzucker) enthält Glukose und Galaktose. Dieser Stoff ist sowohl in allen Milchprodukten enthal· ten, als auch in der Muttermilch. Im Verdauungstrakt wird der Milchzucker durch die Laktase in seine Bestandteile zerlegt. Bei einer Laktoseunverträglich· keit herrscht ein Mangel an diesem Enzym . ..- Saccharose ist der normale Haus· haltszucker, bestehend aus Glukose und Fruktose.
ß-D-Giukose
besteht und in Kapitel 58 genauer be· sprachen wird. Heteroglykane sind zumeist an Proteine oder Lipide gebunden. Proteoglykane sind Kohlenhydrate mit einem kleinen Eiweißrest Bei Glykoproteinen han·
Ketten aus drei bis zehn Kohlenhydra· ten, die durch glykosidi sche Bindungen miteinander verknüp ft sind, bezeichn et man als Oligosaccharide. Diese kom· men in unserem Körper allerdings fast nur an Proteine oder Lipide gebunden vor. Man findet sie in Zellmembranen oder auf der Oberfläche der Erythrozy· ten, wo sie für die Blutgruppeneigen· schaften des Menschen verantwortlich sind. Polysaccharide
Polysaccharide sind Kohlenhydratketten ab einer Länge von zehn Zuckerein· heiten. Diese große Gruppe wird noch einmal unterteilt in die Homoglykane, die nur eine Zuckerart enthalten, und Heteroglykane, die aus verschiedenen Monosacchariden aufgebaut sind. Das für uns wichtigste Homoglykan ist Glykogen, das aus Glukoseeinheiten
delt es sich um Proteine mit einem klei· nen Kohlenhydratrest Glykolipide sind Fette mit einem kleinen Kohlen· hydratanteil. Der überwiegende Anteil steht also immer im hinteren Teil der Stoffbezeichnung.
0 H
OH
OH
H
Maltose a -o-Giuko pyranos yl-( 1fi 4 )-a-o-gl ukopyra nose
H
Oligo- und Polysa ccharid e Oligosaccharide
I Abb. 2: Die Ringform der Glukose
OH
D-Giukose
{I Abb. 3):
I 53
H6~l
OH
Die wichtigsten Disaccharide sind Maltose, Laktose und Saccharose
52
OH
OH
H
Lactose ß-D-Galaktopyranosyl-(1 fi 4 )-ß-o-glu kopyran ose
HOH2C
I
H
0
H
2 Vu~~
o_jH cH2 oH H
OH
OH
H
Saccharose a-o-Giukopyranosyl-(1 fi 2)-ß-o-f ruktofur anose
I Abb. 3: Strukturformeln der wichtigsten Disaccharide
Zusammenfassung
ac Die aus Wasser und Kohlenstoff bestehenden Kohlenhydrate sind sehr wichtig für viele Prozesse im menschlichen Organismus. K Man unterscheidet Monosaccharide wie Glukose oder Fruktose von Di-,
ac
Oligo- und Polysacchariden. Disaccharide werden mit der Nahrung aufgenommen und im Verdauungstrakt in ihre Bestandteile gespalten.
Glykolyse Grundlagen
Die Glykolyse ist der zen trale Abbauweg für Glukose zur Energiegewinnung. Alle menschlichen Zellen besitzen die dafilr n6tlgen Enzyme, die man im Zytoplasma findet.
Ein Molekül Glukose wird durch die Stoffwechselvorgänge in der Glykolyse zu zwei Molekülen Pyruvat abgebaut Man unterscheidet zwischen aerober und anaerober Glykolyse: .,.. Zellen, die Mitochondrien besitzen, können das entstandene Pyruvat in darauffolgenden Schritten des Citratzyklus und der Atmungskette (siehe Kap. 76 und 78) zu C0 2 und Wasser oxidieren. Sie leisten aerobe Glykolyse, wenn genügend Sauerstoff vorhanden ist Auf dem kompletten Stoffwechselweg entstehen durch den Abbau von einem Molekül Glukose 38 Moleküle ATP. .,.. Normale Zellen, die sich gerade in einem Zustand des Sauerstoffmangels befinden und Zellen, die keine Mitochondrien besi tzen, leisten anaerobe Glykolyse. Auf diesem Weg wird das entstehende Pyruvat in den fo lgenden Schritten zu Laktat umgewandelt Es entstehen nur 2 Moleküle ATP.
.,.. Nun wird das Fruktose-6-Phosphat noch einmal phosphoryliert. Die Phosphofruktoki nase katalysiert diese Reaktion, die Fruktose-! ,6-Bisphosphat als Produkt hat. Die durch die Phoephofruktcilcinese katalysierte Phoephorylleru.ns des Fruktose--0-Phoaphsta 1st die Schrfttm8cherreaktlon der GlykoJyae. Diesee Enzym ~mt 41e Gesch\.VInc,ligl(elt.aller ab-
lautenden ~lctlonen.
.,.. Die Aldolase spaltet nun das Fruktose-! ,6-Bisphosphat in zwei C3Kohlenhydrate. Es entstehen Glycerinaldehyd-3-Phosphat (GAP) und Dihyd roxyacetonphosp hat (DAP). Das DAP kann nun durch die Triose-
phophatisom erase ebenfalls in GAP
umgewandelt werde n, beide Reaktionsprodukte können in der Glykolyse Weiterverwertet werden. Bis zu diesem Punkt musste Energie in Form von ATP in die Glykolyse invesüert werden (I Abb. I). Nun werden die entstandenen Triasephosphate in der zweiten Phase unter ATP-Gewinn weiter zu Pyruvat abgebaut. Da das C6 -Kohlenhydrat Glukose nu n in zwei C3-Körper zerlegt worden ist, laufen ab diesem Schritt alle Reaktionen doppelt ab: .,.. GAD wird im nächsten Schritt durch die Glycerinalde hyd-3 -phosphatDehydrogenase zu 1,3-Bisphosphoglycerat oxidiert. Als Oxidationsmittel fungiert hier im ersten Teilschritt NAD +
' CH,OHO H
Glukose
ATP
{0
I Hexekinase I AOP
OH
H
H
OH
OH
HO
CH,OP~,'~
IO OH
H
H
OH
HO
OH
'·o3POH,Gr:O~CH"QH
H~6H H
OH
Fruk tose-1 ,6- Bisphosphat
'·o3POH,CK:o~H,OPo}HHoH
Die Schritte der Glykolyse (I Abb. I):
H
OH
Reaktionsschritte der Glykolyse
H......_c~o
I
H- r - OH CH,QP0,2-
CH,OH
I
.,.. Als Erstes wird die mittels der Glu-
kosetransporter in die Zelle aufgenommene Glukose durch die Hexokinase zu Glukose-6-Phosphat phosphoryliert. Das Phosphat stammt von einem ATP, das durch die Reaktion zu ADP umgewandelt wird. Dieser erste Schritt bewirkt, dass das Molekül die Zelle nicht mehr verlassen kann, da für phosphorylierte Zucker keine Transporter über die Zellmembran existieren. .,.. Als Nächstes wird Glukose-6-Phosphat mithilfe der Glukose-6-PhosphatIsomerase durch Isomerisierun g zu Fruktose-6-Phosphat umgewandelt Hierbei entsteht aus der Aldoseform der Glukose die Ketose Fruktose.
C= O
bwPO,'" NADH; H"
1.3-Bisphosphogl ycera l
AOP ATP
2-0 JPO, C.,;: : .O
I I
H- C- OH CH,OP0,2-
coo· I
H- C- OH
I
CH,QP0,2-
cooI
2-Phosphoglycora t
I Enolaso 11 I Abb. 1.: Übersicht über die Reaktionen der Glykolyse. Ab der Spa ltun g des C6-Zuckers in zwei C3-Zucke r laufen di e Reaktionen pro Molekül Glukose zweimal ab . [21
- H2 0 ADP
P-;ruvo t
1
CH,OH
Phosphoeno lpyruvat
IPyruvat·Kinaso I
H- C- OP0}-
coo-
l w-OPO,'-
CH.,
coo-
l o r=
CI-I,
Kohlenhydratstoffwechs el
das zu NADH + H+reduziert wird. Im zweiten Schritt wird ein anorganisches Phosphat P; gebunden . Hierbei entsteht eine energiereiche Säureanhydrid-Bindung. ~ Die Phosphoglycerat-Kinase überträgt nun das gebundene Phosphat auf ein ADP-Molekül. Es entsteht ein Molekül ATP sowie 3-Phosphoglycerat. ~ Mittels der Phosphoglycerat-Mutase wird die Phosphatgruppe vom C3Atom jetzt auf das C2-Atom umgelagert, das Produkt ist 2-Phosphoglycerat. ~ Durch Wasserabspaltung, katalysiert von der Enolase, entsteht nun Phosphoenolpyruvat, eine Verbindung, die ein hohes Bestreben hat, die Phosphatgruppe am C2-Atom abzuspalten. Dies ist dann der nächste Schritt der Glykolyse. Die Phosphatgruppe wird auf ein ADP übertragen, es entsteht ein Molekül ATP sowie Pyruvat. Katalysiert wird diese Reaktion von der Pyruvat-Kinase. Sie ist das zweite Schrittmacherenzym der Glykolyse. Substratkettenphosphorylierung
Unter Substratkettenphosphorylierung versteht man die Bildung der energiereichen Verbindung ATP durch Übertragung eines zuvor an einem Zwischenprodukt fixierten anorganischen Phosphatrestes auf ein Molekül ADP. In der zweiten Phase der Glykolyse, entstehen durch diesen Mechanismus pro C3 Molekül zwei Moleküle ATP: ~ Bei der Abspaltung der Phosphatgruppe des 1,3-Bisphosphoglycerats auf ein ADP entsteht ATP sowie 3-Phosphoglycerat. ~ Eine Phosphatgruppe des Phosphoenolpyruvats wird auf ADP übertragen.
Diesen Mechanismus der Substratkettenphosphorylierung werden wir später noch einmal beim Citratzyklus kennenlernen.
~ Aerober Abbau des Pyruvats: in allen Zellen, die Mitochondrien besitzen und gerade über Sauerstoff verfügen, wird das Pyruvat in der Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion sowie über den Ci· tratzyklus (s. Kap. 76) und die Atmungskette (s. Kap. 78) zu H20 und C02 abgebaut.
~ Anaerober Abbau des Pyruvats zu Laktat (I Abb. 2): In Zellen ohne
Mitochondrien sowie in Zellen, die sich gerade in einem Zustand des Sauerstoffmangels befinden, wird das Pyruvat in der Laktat-Dehydrogenase-Reaktion, der sog. Milchsäuregärung zu Laktat reduziert. Wichtig ist dieser Schritt, da für den Ablauf der Glykolyse wieder NAD+benötigt wird, das aus dieser Reaktion gewonnen wird. Somit wird der weitere Ablauf der Glykolyse garantiert. Regulation der Glykolyse
Die Phosphofruktokinase ist, wie oben bereits erwähnt, das wichtigste Schlüsselenzym der Glykolyse. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Wirkung dieses Enzyms: Ein hoher AMP-Spiegel signalisiert der Zelle Energiebedarf. Als Folge einer allosterischen Aktivierung arbeitet die Phosphofruktokinase verstärkt und die Glykolyse läuft beschleunigt ab. ~ Im Gegensatz dazu hemmt ein hoher ATP-Spiegel allosterisch die Phosphofruktokinase und somit die Glykolyse, ~
NADH +W
cxxr I C=O I
CH3
541 55 NAD+
~ )
CCXT
I I
HO- C- H
LaktatDehydrogenase
Pyruvat
CH3 Laktat
I
Abb . 2: Die Umwandlung von Pyruvat zu Laktat in der Laktat-Dehydroge nase-Reaktion
da bereits genügend Energie vorhanden ist. ~ Auch der Citratspiegel hat Auswirkung auf die Aktivität der Phosphofruktokinase. Citrat entsteht als Zwischenprodukt im Citratzyklus. Ein hoher Spiegel signalisiert, dass momentan genügend Produkte für die Energiegewinnung im Citratzyklus vorhanden sind. Die Phosphofruktokinase wird also durch Citrat gehemmt. ~ Ein weiterer wichtiger Regulationsfaktor in der Leber ist Fruktose-2,6Bisphosphat. Der Spiegel dieses Moleküls steigt parallel zum Insulinspiegel und signalisiert, dass viel Glukose im Blut vorhanden ist, die abgebaut werden kann. Fruktose-2,6-Bisphosphat fungiert in der Leber als Botschafter des Insulins und aktiviert die Glykolyse. Der genaue Mechanismus wird im Kapitel über die Hormone der Bauchspeicheldrüse besprochen (s. Kap. 94 und 96).
Zusammenfassung • Die Glykolyse ist der wichtigste Abbauweg von Glukose in unserem Körper. Alle Zellen des Menschen besitzen die dafür benötigten Enzyme. • Im Rahmen der Glykolyse entsteht aus einem Molekül Glukose zwei Moleküle Pyruvat. • Man unterscheidet zwischen aerober und anaerober Glykolyse, wobei bei der aeroben viel mehr Energie gewonnen wird, als bei der anaeroben. • Wichtigstes Schlüsselenzym ist die Phosphofruktokinase. Von der Aktivität
Weitere Schritte des Pyruvats
Der weitere Weg des Pyruvats ist abhängig von der Zelle, in der die Glykolyse stattgefunden hat und außerdem von deren Sauerstoffversorgung:
dieses Enzyms ist die Geschwindigkeit des Ablaufs der Glykolyse abhängig. • Die Glykolyse läuft bevorzugt bei Energiebedarf des Körpers ab. Demnach wirken AMP und Fruktose-2,6-Bisphosphat als Aktivatoren, ATP und Citrat hingegen hemmen die Glykolyse.
Glukoneogenese Grundlagen der Glukoneogenese
Umwandlung von Pyru vat in Oxalacetat
Alle Zellen des Menschen nutzen Glukose bei ihrem Stoffwechsel zur Energiegewinnung. Am meisten Glukose wird hierbei vom Nervensystem gebraucht, etwa 75 %des gesamten Bedarfs. Erythrozyten und die Zellen des Nebennierenmarks sind auf die Glukose unbedingt angewiesen, da dies ihre einzige Möglichkeit ist, Energie zu gewinnen. Normalerweise wird die benötigte Glukose aus der Nahrung sowie aus im Körper gespeicherten Glykogenreserven gewon· nen. Sind diese Speicher aber, zum Beispielaufgrund von Nahrungskarenz verbraucht, so kann der Körper Glukose aus Pyruvat herstellen. Diesen Vorgang nennt man Glukoneogenese.
In den Mi tochondri en find et der erste irreversible Schritt der Glukoneoge nese statt. Bei der Ca rboxy lierun g von Pyruvat 2 Oxalacetat wird ein Molekü l ATP verbraucht. Außerdem ist u die Hilfe des Coenzyms Biotin nötig, das ein aktiviertes Molekül C02 überträgt: Pyruvat + ATP + C02 --; Oxalacetat + APD + P; Die restlichen Schri tte der Glukoneogenese finden im Zytoplasma statt. Da Oxalacetat die Mitochondrienmembran nicht einfach passieren kann, wird es zuerst mittels der mitochondrialen Malat-Dehydrogenase zu Malat umgewandelt, das ins Zytosol transportiert werd en kann. Dort wird das Malat durch die zytosolische Malat-Dehydrogenase wieder zu Oxalacetat oxidiert.
Nur die Leber sowie zu kleinen Teilen die Niere sind in der Lage, Glukoneogenese zu betreiben. Hierbei wird in der Bilanz aus zwei Molekülen Pyruvat ein Molekül Glukose gebildet.
Die dabei entstehende Glukose wird dann dem restlichen Organismus zur Verfügung gestellt und über die Blutbahn zu den einzelnen Organen transportiert. In der Bilanz ist die Glukoneogenese (I Abb. 1) die Umkehrung der Glykolyse. Die meisten Schritte der Glykolyse werden hierbei einfach umgekehrt durchlaufen, da die Reaktionen in etwa im Gleichgewicht stehen und nicht viel Energie benötigt wird. Allerdings sind drei Reaktionen der Glykolyse so stark exogen, dass sie nich t einfach umkehrbar sind:
Decarboxylierung von Oxalacetat zu Phosphoenolpyruvat
Oxalat wird nun durch die Phosphoenolpyruvat·Carboxyklnase zu Phosphoenolpyruvat umgewandelt. Hierbei Wird das zuvor angehängte C0 2 wieder abgespalten. Die freiwerdend e Energie wird gen utzt, um das entstandene Enol zu
Oxolacetat
GTP
.._ Die Umwandlung von Glukose zu Glukose-6-Phosphat mittels der Hexokinase; .._ Fruktose-6-Phosphat--; Fruktose· I ,6-bisphosphat durch die Phosphofruktokinase; .._ Die Pyruvat-Kinase-Reaktion mit der Umwandlung von Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat haben wir schon im Kapitel der Glykolyse als die Schlüsselreaktionen kennengelernt
Phosphoenolpyruvat
2x
I Enolase 11
H20
2-Phosphoglycerat
3-Phosphoglycerat ATP
Um die drei Reaktionsschritte zu umgehen, müssen vier Reaktionen ablaufen, die mithilfe der folgenden Enzyme voll· zogen werden: .._ Pyruvat-Carboxylase: Pyruvat wird zu Oxalacetat umgewandelt. .._ Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase: katalysiert die Reaktion Oxalacetat ~ Phosphenolpyruvat. .._ Fruktose- I ,6-Bisphosphatase: Fruktose-] ,6-Bisphosphat wird zu Fruktose-6· Phosphat dephosphoryliert. .._ Glukose-6-Phosphatase: dephosphoryliert Glukose-6Phosphat zu Glukose.
AD P
r
C= O
bwro,·-
~~ Fruktose-1,6-Bisphosphat
Die wichtigsten Reaktionen
In diesem Abschnitt wird auf die oben genannten vier wichtigen Reaktionen der Glukoneogenese eingegangen, die nicht nur einfach die Umkehrung der entsprechenden Schritte der Glykolyse sind.
Glukoso
I Abb. I : Übersicht üb d1.e Gluk eneogenese [ e] r 2
Kohlen hyd ratstoffwec hsel
~~&--------------------------------------------~~~~~~~~~~ phosphorylieren. Die Phosphatgruppe stammt von einem GTP, es entsteht Phosphoenolpyruvat.
Glukose-6-Phosphat
-========-
56
I 57
I Abb. 2: Durch die Glukose-6-Phosphatase wird Glukose-6-Phosphat zu Glukose dephosphoryliert. Glukose
Diese kann die Zelle verlassen.
Fruktose-1 ,6-Bisphosphat wird zu Fruktose-6-Phosphat
Bei der dritten Umgehungsreaktion der Glukoneogenese wird eine Phosphorylgruppe des Fruktose-] ,6-Bisphosphats hydrolytisch abgespalten. Es entsteht Fruktose-6-Phosphat. Katalysiert wird dieser irreversible Schritt durch die Fruktose-! ,6-Bisphosphatase. Dephosphorylierung von Glukose-6Phosphat
Im letzten Schritt wird nun Glukose-6Phosphat zu Glukose umgewandelt. Das dazu benötigte Enzym ist die Glukose-6-Phosphatase. Die entstandene Glukose kann nun die Zellen verlassen (I Abb. 2), gelangt in die Blutbahn und kann zu den Organen transportiert werden, die sie benötigen. Auch hierbei handelt es sich um eine irreversible Reaktion.
Regulation der Glukoneogenese
Die Regulation von Glukoneogenese und Glykolyse verläuft gegensinnig, so dass Glykolyse und Glukoneogenese nicht gleichzeitig ablaufen können. Man unterscheidet bei der Regulation zwischen allosterischer, die innerhalb weniger Minuten wirkt, sowie hormoneller Beeinflussung, die erst nach mehreren Stunden ihre Wirkung entfaltet, da hier Umstellungen auf genetischer Ebene stattfinden, durch die die Expression der einzelnen Enzyme beeinflusst wird. Die Schlüsselstellen sind hierbei die folgenden drei Enzyme, die allosterisch und hormonell beeinflusst werden: ~
~ ~
Energiebilanz der Glukoneogenese
Für die Herstellung von einem Molekül Glukose werden in der Glukoneogenese zwei Moleküle Pyruvat benötigt. Auf dem Wege der Glukoseentstehung werden pro Pyruvat zwei ATP und ein GTP benötigt, insgesamt also vier ATP und zwei GTP für jedes gebildete Molekül Glukose. Im Vergleich dazu werden bei der Glykolyse auf dem Weg von der Glukose zum Pyruvat nur zwei ATP gewonnen. Insgesamt hat man also bei der Glukoneogenese einen Verlust von vier ATP.
Fruktose-! ,6-bisphosphatase, Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase, Pyruvat-Carboxylase.
Allosterische Regulation Die Fruktose-1 ,6-Bisphosphatase wird durch AMP gehemmt und durch Citrat aktiviert. Das bedeutet, das Glukoneogenese vor allem stattfindet, wenn gerade genügend Energie zur Verfügung steht. Diese Regulation verhält sich genau entgegengesetzt zum
entsprechenden Enzym der Glykolyse, der Phosphofruktokinase. Dementsprechend wirkt Fruktose-2,6-Biphosphat, das bei der Glykolyse als Stimulator fungiert, hier hemmend. Die beiden Enzyme, durch welche die Umwandlung von Pyruvat zu Phosphoenolpyruvat katalysiert wird, also die Phosphenolpyruvat-Carboxykinase und die Pyruvat-Carbo:xylase werden ebenfalls entgegengesetzt zum entsprechenden Enzym der Glykolyse, der Pyruvat-Kinase reguliert. Ein hoher ADP-Spiegel wirkt hemmend, Energieüberschuss fördernd. Hormonelle Regulation Die Hormone Insulin und Glukagon, die in Kapitel 94 und 96 noch genauer besprochen werden, regulieren ebenfalls den Ablauf der Glukoneogenese. Hierbei wirkt Insulin hemmend, indem es die Bildung der für die Glukoneogenese nötigen Enzyme Pyruvatcarboxylase, Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase, Fruktose-1 ,6-Bisphosphatase und Glukose-6-Phosphatase unterbindet. Glucagon hingegen aktiviert die Bildung der Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase und der Fruktose- I ,6-Bisphosphatase und wirkt somit stimulierend.
Zusammenfassung • Glukoneogenese dient bei Energiemangel zur Gewinnung von Glukose. • Glukoneogenese findet fast ausschließlich in der Leber statt, auch die Niere ist zu geringen Teilen in der Lage, Glukose auf diesem Weg zu gewinnen. Nur in diesen beiden Organen ist die Glukose-6-Phosphatase vorhanden. Die Glukose wird dann über das Blut zu den Organen gebracht, die sie benötigen. • Die Regulation findet a1:1f allosterischem und hormonellem Wege statt. Hierbei wirkt das Insulin hemmend, Glukagon stimulierend auf den Ablauf der Glukoneogenese.
Glykoge nstoffwec hseI Glykogen ist eine Speicherform der Glukose, die der Körper leicht mobilisieren kann (I Abb_ I]. Es kann in allen Zellen des Menschen, außer in den Erythrozyten gebildet werden_ Große Mengen speichern aber nur die Skelettmuskelzellen und die Leber_ Die Muskelzellen speichern das Glykogen nur für den eigenen Bedarf, sie haben nicht die Möglichkeit, Glukose-6-Phosphat in Glukose umzuwandeln, so dass es die Zelle verlassen kann. Die Leber hingegen mobilisiert das Glykogen; wenn Energiebedarf besteht, wandelt es komplett in Glukose um und stellt es dem Organismus zur Verfügung. Struktur des Glykogens
weitere Glukosemoleküle anzuhängen. Allerdings muss die Glukose hierfür in aktivierter Form vorliegen, als Uridindiphosphat-Gl ukose (UDP-G lukose). Bei der Knüpfung der glykosid ischen Bi ndung wird UDP abgespalten und die Glykogen kette um ein Glukosemolekül verlängert Für eine Verzweigungsstelle wird ein Verzweigungsenzym benötigt, auch Branching-Enzym gena nnt Ei ne 1,4-glykosidische Bindung wird wieder gespa lten und durch eine 1,6-glykosidisc he Bindung ersetzt. So entste ht die starke Verzweigung des Glykogenmoleküls mit den vielen endständigen Glukoseresten. Zwei Verzweigungsstellen liegen durchschnittlich zehn Glukosemoleküle voneinander entfernt Der Mindestabstand beträgt allerdings nur vier Glukoseeinheiten. Durch die häufige Verzweigung des Glykogens ist es beim Abbau, wenn vom Körper Glukose benötigt wird, möglich, sehr schnell sehr viel Glu kose zu gewinnen, da an jedem Ende Moleküle mobilisiert werden können. Abbau des Glykogens: Glykogenolyse
gungsstellen zu trennen. Vier Glukosemoleküle von einem solchen Punkt entfernt übernimmt eine Transferase die Abspaltung dreierweiterer Einheiten und überträgt diese auf einen ande ren Zweig_ Die a-1 ,6-Glukosidase das Debranc hin g-Enzym, spaltet die ' Ve rzweigu ngsstelle, wobei ein normales Glukosemolekül frei wird, das die Zelle sofort verlassen kan n. lll- Die ansonsten entstehend en GlukoseI-P hosphate müssen weiter umgewandelt werden, um im Stoff\vechse] ei ngebaut zu werden. Die Glukosephosphatmutase überträgt die Phosphatgruppe vom Cl - auf das C6-Atorn_ So entsteht Glukose-6-Phosphat, das in die Glykolyse ein gesc hleust werden kann. Al lerdings kann die Glukose in dieser phosphorylierten Form die Zelle nicht verlassen. lm Muskel verbleibt sie also in der Zelle und wird dort in der Glykolyse weiterverwertet In der Leber hingegen ist die uns schon aus der Glu koneogenese bekannte Glukose-6-Phosphatase vorhand en . So kann Glukose-6-Phosphat zu freier Glukose dephosphoryliert werden. Die freie Glukose kann die Zelle verlassen und über die Blutbahn zu den Orten transportiert werden, die viel Energie benötigen, dies sind vor allem das Geh irn und die Erythrozyten.
Bei Bedarf werden dann die endständigen Glukosemoleküle von der Kette Für den Abbau der Glykogenkette zu abgespalten, umso verzweigter die Kette einzelnen Glukosemolekülen sind drei Enzyme zuständig: also ist, desto schneller kann Glukose mobilisiert werden, um den Blutzuckerlll- Die endständigen Glu kosereste, die spiegel konstant zu halten. Menschen, über eine 1,4-glykosidisc he Bindung bei denen das Glykogen nicht ausreichend verzweigt ist, leiden unter Hypo- angehängt sind , werden durch die Glykogenphosphorylase phosphoglykämien. rolytisch abgespalten (I Abb. 2). Es en tsteht Glukose-I-Phosphat Glykogensynthese lll- Die Glykogenphosphorylase ist allerdings nicht in der Lage, die VerzweiDie Glykogensynthase ist für den Großteil der Synthese der Glykogenkette zuständig_ CH,PH CH20H CH20H Den Beginn der Synthese übernimmt allerdings ein anderer Stoff, das Protein O H -OH O H O H a-1,6-Bindung 1 Glykogenin. Dieser ist ein für die BilOH H OH H OH H / dung eines Anfangsmoleküls zuständiHO 0 0 0 ger Starter. Das Glykogenirr wird selbst H OH H OH H OH \ u- 1 ,4-Bindung 6 in die entstehende Kette eingebaut und CH2 CH;PH CH,PH CH,PH hängt acht Glukoseeinheiten aneinander. Ist nun dieses Anfangsmolekül entstanden, kann die Glykogensynthase H 00 H 00 H 00 H ~ eingreifen _Diese hat die Aufgabe, unter I Abb. 1: Aufbau des Glykogen s Bildung einer glykosidischen Bindung
O
~H
j
~0\7 ~0~ ~0\7 ~0\~
0ti--ft-o~o~o~R
,~~----------------------------------------------~K~o~h~le~n~h~y~d~r~a~ts~t~o~f~ fw~e~c~h~s~e~l CH20H
O OH
HO
H
H
OH
H OH
0
OR
H
OH
Glykogenphosphorylase: phosphorolytische Spaltung
Glykogen (n Reste)
I
~ O CH20H
H
0
581 59
0
H
H OH
+
OPO} -
H
H
0
H
HO
CH20H
HO
OH
Glukose-1-phosphat
H
H
OH
Glykogen (n- 1 Reste)
Abb. 2: Abspaltung von Gluk ose- I -Phosphat von einer Glykogenkette
Regulation Glykogensynthese Die Steuerung der Glykogensynthese erfolgt über die Glykogensynthase, das Schlüsselenzym der Synthese. Steigt der Glukosespiegel im Blut, wird die Glykogensynthase dephosphoryliert und so in ihre aktive Form gebracht. Die zur Verfügung stehende Glukose kann als Glykogen gespeichert werden. Fällt der Blutglukosespiegel unter einen bestimmten Wert, wird die Synthase phosphoryliert, also inaktiviert. Glykogenabbau Auch der Glykogenabbau wird über sein Schlüsselenzym, die Glykogenphospho· rylase gesteuert. Steigt die Glukoseoder die ATP-Konzentration in der Zelle, wird das En zym gehemmt, es wird keine zusätzliche Glukose benötigt. Anund abgeschaltet wird das Enzym durch Phosphorylierung. In der phosphorylierten Form ist die Glykogenphosphorylase aktiv und baut Glykogen zu Glukosemolekülen ab. in der dephosphorylierten Form hingegen ist sie inaktiv. Sinkt der Blutglukosespiegel, wird die Glykogenphosphorylase also phosphoryliert und Glykogen zu Glukose abgebaut. Glykogensynthase und -phosphorylase arbeiten nie parallel. Ist eines der beiden Enzyme aktiv, ist das andere abgeschaltet. Die Regulation übernimmt die Leber, die den Blutzuckerspiegel registriert und die Aktivierung der beiden Enzyme dementsprechend steuert.
sinkt. Folglich bewirkt es eine Al
Glykogenspeicherkrankheiten Bei diesen angeborenen Krankheiten sind Enzyme des Glykogenstoffwechsels defekt. Bei diesen Enzymen kann es sich sowohl um solche der Synthese als auch um solche des Abbaus handeln. Es handelt sich um vererbbare Krank· heiten, die sehr selten sind. Am häufigsten ist hierbei die Glukose-6-Phosphatase betroffen: Bei einem Defekt dieses Enzyms kann das Glukose-6-Phosphat in der Leber nicht mehr zu freier Glukose umgewandelt werden. Die Glukose kann die Zelle nicht mehr verlassen und es kommt zu einer Anhäufung von Glukose in der Leber. Folge ist eine übermäßige Synthese von Glykogen. Schon beim Säugling kommt es zu Hypoglykämien und zu einer Hepatomegalie durch die große Menge an Glykogen. Diese Krankheit wird auch als Von-Gierke-Krankheit bezeichnet.
Zusammenfassung • Glykogen ist die Speicherform der Glukose, ein stark verzweigtes Enzym, das bei Glukosemangel schnell zu Glukose abgebaut werden kann und diese dem Körper zur Verfügung stellen kann. • Nur die Skelettmuskulatur und die Leber sind in der Lage, Glykogen zu synthetisieren und zu speichern. • Die Glykogensynthase ist das Schlüsselenzym der Glykogensynthese. Die Glukose wird über glykosydische Bindungen aneinandergehängt, eine Transglykosylase ist für die Verzweigungen zuständig. • Das wichtigste Enzym für den Glykogenabbau ist die Glykogenphosphorylase. • Bei zu niedrigem Blutzuckerspiegel wird Glykogen abgebaut, steigt der
Regulation durch Hormone Mehrere Hormone haben eine Auswirkung auf den Glykogenstoffwechsel:
Glukosespiegel über einen bestimmten Wert, wird Glukose in Form von Glykogen gespeichert, es findet Glykogensynthese statt. • Insulin bewirkt eine verstärkte Glykogensynthese, Glukagon und Adrenalin
~
OR
Glukagon: Glukagon wird ausgeschüttet, wenn der Blutzuckerspiegel
hingegen steigern die Glykogenolyse.
Pentosephosphatweg .,.. Mithilfe der Pentose-5-PhosphatIsomerase wird das Ribulose-5-Phosphat nun zu Ribose-5-Phosphat isomerisiert.
Alle menschlichen Zellen sind in der Lage, Glukose über den Pentosephosphatweg zu verstoffwechseln. Er findet im Zytosol statt. Produkte sind Pentosen, die für die DNA-Synthese benötigt werden, sowie NADPH.
Nicht-oxidativer, reversibler Teil In den meisten Zellen, vor allem solchen, die sehr stoffwec hselaktiv sind, wird die Ribose weiter umgewandelt zu Zwischenprodukten der Glykolyse, die dort wieder eingeschleust werde n können (I Abb. 2). Dies läuft nach folgendem Prinzip ab (I Tab. 1):
Der Pen tosephosphatweg wird in zwei Phasen aufgeteilt: .,.. Im ersten, auch oxidativen Teil genannten wird Glukose-6-Phosphat zu Ribose-5-Phosphat umgewand elt (I Abb. 1). .,.. Im zweiten nicht-oxidativen, reversiblen Teil wird die Ribose in unterschiedlich lange Zuckermoleküle überführt (zwischen drei und sieben Kohlenstoffatome), die dann wieder der Glykolyse zugeführt werden können.
.,.. Zuerst entste ht aus zwei Pentosen eine Heptose und eine Triose: Die Transketolase katalysiert folgende Reaktion: Ribose-5- Phosphat + Xylulose-5-Phosphat ~ Glycerinaldehyd-3-Phosphat + Sedoheptulose-7-Phosphat Das benötigte Xylulose-5-Phosphat entsteht zuvor aus Ribose-5-Phosphat in einer Reaktion, die durch die Phosphopentose-Epimerase ermöglicht wird . .,.. Die beiden Produkte werden durch die Transaldolase weiter umgewandelt in einen C6 und einen C4-Zucker: Glycerinaldehyd -3-Phosphat + Sedoheptulose-7-Phosphat ~ Fruktose-6-Phosphat + Erythrose-4-Phosphat
Oxidativer, irreversibler Teil .,.. Im ersten Schritt wird Glukose-6Phosphat zu 6-Phosphoglukonolacton oxidiert. Katalysiert wird diese Reaktion von der Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase. .,.. Das 6-Phosphoglukonolacton wird im nächsten Schritt durch eine Lactonase zu Glukonat-6-Phosphat hydrolysiert. Es wird Wasser angelagert. .,.. Die Glukonat-6-Phosphat-Dehydrogenase decarboxyliert dieses Produkt weiter zu Ribulose-5-Phosphat.
5 H OH
NADP+
~ )
H
HO
H
NADPH + H'
OH
OH
Glukose-6-PhosphatDehydrogenase
H-
l C-
OH
I I C - OH I C- OH I CH~PO}-
HO- C - H HH-
Glu konat6-Pho sphat
ö
Transketolase
Cl + C3 --> C6 + C4
Transaldolase
C5 + C4 --> C3 + C6
Transketolase
.,.. Zuletzt reagieren ein weiterer C5und ein C4-Z ucker mithilfe der Transketolase zu einer Triase und einer Hexose: Xylulose-5- Phosphat+ Erythrose-4Phosphat ~ Fruktose-6-Phosphat + Glycerinaldehyd -3-Phosphat Das entstehende Fruktose-6-P hosphat kann nun in die Glykolyse eingeschleust werden, ge nau wie das Glycerinaldehyd-3- Phosphat. In manchen Zellen wird das Ribose-5Phosphat für die Synthese von DNA und RNA benötigt. Hier kann der ZWeite Teil des Pentosephosphatwegs auch rückwärts ablaufen, es werden Zwischen produkte der Glykolyse in Ribose5-Phosphat umgewandelt und dann in die DNA-Synthese ei ngeschleust (s. Kap. 38). Regulation
Der oxidative Teil des Pentosephosphatwegs wird über den Bedarf an NADP}-f und Ribose geregelt:
H+
~)
~H
H
H
OH
O
HO
j Laktonase
j
6-Phosphoglukono8-lakton
Glukose6-Phosphat
coo-
H20
Enzym
I Tab. 1: Umwand lung der Kohlenstoffketten in der zwe 1ten Phase des Pentosephosphatwegs
Beim ersten Teil des Pentosephosphatwegs entstehen 2 MolekOie NADPH.
Ablauf des Pentosephosphatwegs
Reaktion
es +es --> Cl +C3
NADP+
~J G lukonat-6-PhosphatDehydrogenase
CHO
CH:PH
NADPH, C02
I I C- OH I C- OH I CH:PPO}
I
H- C- OH
C= O
HH-
Rlbulose5-Phos phat
I
H- C- OH
I I
H- C- OH -
PentosephosphatIsomerase
CH:PPO:J2-
Ribose· 5-Phos phat
I
Abb . 1: Der oxidative Teil d es
Penlo se phosphatwegs [2[
Kohlenh ydratsto ffwechse l
IJ> Fehlt einer Zelle NADPH für den Stoffwechse l und Ribose für die DNASynthese, wird der erste Teil des Pentosephosphatwegs verstärkt betrieben. IJ> Benötigt eine Zelle keine Ribose, sondern nur NADPH , so wird ebenfalls die erste Phase aktiviert, die Ribose aber in der zweiten Phase wieder in Zwischenprodukte der Glykolyse umgewand elt und dieser wieder zugeführt. IJ> Für den Fall, dass eine Zelle nur Pentosen für die DNA-Synthese braucht, aber kein NADPH benötigt, wird die zweite Phase des Pentosephosphatwegs rückwärts durch laufen. Der Glykolyse werden Fruktose-6- Phosphat und Glycerinaldehyd-3-Phosphat entzogen und wie oben beschrieben zu Ribose-5-Phosphat umgewandelt.
Zusatz: NADPH
NADPH, oder auch Nicotinamidadenindinukleotidphosphat ist ein wichtiges Coenzym, das bei vielen Stoffwechselrea ktionen benötigt wird. Es handelt sich um ein Reduktionsmittel, es gibt also Elektronen ab. Seine Funktion ist die Übertragu ng von Wasserstoff und Elektronen : NADPH + H+~ NADP + 2 Elektronen+ 2 H+ Die Stoffwechselvorgänge, in denen dieses Coenzym zu find en ist, sind vor allem anaboler Art. Reaktionen mit NADPH finden im Zytosol statt:
60
I 61
CHi)H CHi)H
I
C= O
I
HO- C- H
I I
I I
CHO
I I CI CI
C= O
H- C- OH
+
H- C- OH
HH-
CHi) POl -
OH OH
HO- C- H
CHO
ITransketolase I
I I
H- C- OH
+
CH:PPO} -
I
H- C- OH
I I CI
H- C-OH
CH20POl -
H-
OH
C~OPO}-
Xylu lose5-Phosphat
Ribose5-Phosphat
Sedoheptulo se7-Phosphat
Glycerinalde hyd3-Phosphat
CH;PH
I
CH20H
C= O
I I
H- C- OH
I I CI CI
+
CH20PO} -
HH-
OH OH
I I Hü-C- H I H-C-OH I H- C-OH I C= O
HO- C- H
CHO
ITransaldolase I
H- C- OH
I
CHO
I I C-OH I CH;PPO}
H-C- OH
+
H-
CH20PO}-
CH;Pf'0:32Gtycerinalde hyd- Sedoheptulo se3-Phosphat 7-Phosphat
Fruktose6-Phosphat
Erythrose4-Phosphat
CH:PH
CH;PH CHO
HH-
I C- OH + I C-OH I CH;PPO}-
Erythrose4-Phosphat
I
I HO-C-H
I H-C-OH I CH:PPO}Xylulose5-Phosphat
I I CI CI CI
C= O
C= O HO-
ITranskatolase I
HH-
CHO H OH
+
I
H- C- OH
I
CH;Pf'0:32OH
CH:PPÜJ2 -
Fruktose6-Phosphat
Glycerinalde hyd3-Phosphat
I Abb. 2: Die Reaktionssch ritte des zweiten Tei ls des Pentose phosphatwegs 121
IJ> Fettsäuresynthese, IJ> Synthese von Hormonen in der
Nebenniere nrinde, IJ> Cholesterin synthese in der Leber, IJ> Entgiftung toxischer Stoffe und verschiedener Medikamente in der Leber, IJ> Reduktion von Glutathion in den Erythrozyten.
Zusammenfassung X Wichtigste Produkte des Pentosephosphatwegs sind NADPH, das in vielen Stoffwechselwegen benötigt wird, und Ribose-5-Phosphat für die Synthese von DNA und RNA. X ln stoffwechselaktiven Zellen wird die entstandene Ribose umgewandelt in Zwischenprodukte der Glykolyse und dort eingeschleust. X Man unterteilt den Pentosephosphatweg in einen ersten, irreversiblen oxidativen Teil bis zum Ribose-5-Phosphat und einem zweiten, reversiblen nicht-oxidativen Teil, in dem die Umwandlung der Zucker stattfindet. X NADPH ist ein Reduktionsmittel, das in vielen anabolen Stoffwechselvorgängen als Elektronen- und Protonendonator fungiert. Im oxidativen Teil des Pentosephosphatwegs werden zwei Moleküle NADPH gewonnen.
-
Lipide und Fettsäuren I Lipide dienen im Körper als Energiespeicher, Baumaterial, Temperaturregulatoren, und si nd Bestand teile von Nervengewebe und Membranen. Des Weiteren erfüllen sie Aufgaben als Hormone, Gallensä uren und Vitamine . Die Gru ppe der Lipide ist sehr vielfältig, allerdings ist ihnen alle n gemeinsam, dass sie fettlöslich [= lipophil) sind und aus Acetyl-CoA-Einheiten bestehen.
Lipid
polarer Kopf
apolarer Schwanz
~0 Mizelle
1nnu
Eigenschaften der Lipide
~0
Charakteristisch für Lipide ist, dass sie wenigstens zum Teil lipophil - also unpolar - sind . Sie lösen sich demzufolge
schlecht in Wasser, aber gut in apolaren Lösungsmitteln wie Ether und Benzol. Von amphiphilen oder amphipatischen Lipiden spricht man, wenn das eine Ende des Lipids lipophil und das andere ähnlich stark hydrophil ist. Dadurch lässt es sich sowohl in polaren [Wasser) als auch in unpolaren Lösungsmitteln mehr oder weniger gut lösen. Diese Eigenschaft eignet sich ideal zur Bild ung von Membranen, die ausschließlich aus amphiphilen Lipiden aufgebaut sind. Amphiphile Moleküle werden auch als Emulgatoren oder Detergenzien bezeichnet. Die Apolarität der Lipide kommt dadurch zusta nd e, dass sie größtenteils aus CH-Bausteinen bestehen, deren Atome sich in ihrer Elektronegativität kaum unterscheiden.
Je nach hydrophilen oder Hpophilen Anteilen lagern sich Lipide in wässrigem Milieu spontan zu unterschiedlichen Strukturen zusammen (I Abb. 1): .,._ Öl-Wasser-Grenzschichten: Der hydrophile Teil richtet sich zu m Wasser hin aus, während der lipophile Schwanz durch hydrophobe Wechselwirkungen aus dem Wasser verd rängt wird. So bildet sich bei der Vermischung von polaren und apolaren Substanzen eine Phasengrenze zwischen diesen, z. B. ein Öl- oder Fettfilm auf Wasser. Dies führt u. a. zu einer Reduktion der Oberflächenspannung! .,._ Mizellen: Mizellen bilden sich ab einer bestimmten Konze ntration der apolaren Substanz. In diesem Fall richten sich die hydrophoben Schwänze ins Innere einer Kugel, die nach außen hin von den hydrophilen Anteilen der Lipide begrenzt werden. In solchen Mizellen können andere lipophile und am phiphile Stoffe transportiert werden, z. B. Cholesterin und fettlösliche Vi tamine. .,._ Bilayer, Membranen und Liposomen: Bilayer si nd Lipiddoppelschichten. Die beiden äußeren Grenzschichten werden von den polaren Regionen der Lipide geb ildet, zwisc hen diesen befindet sich eine hydrophobe Mi ttelschicht bestehend aus deren apolaren Schwän zen, als wichtiges Beispiel hierfür seien die Zellmembranen genannt. Lagern sich diese Lipiddoppelschichten in Form eines Ringes an,
~0
I Abb . 1: Zu sa mm ensc hlü sse vo n amphiphil en Molekü len in wässrigem
M-1.
I Ieu
heißen sie Liposomen. In ihrem Inn eren ist Wasser ei ngesch lossen. Einteilung der Lipide
Wie sc hon erwähn t, ist die Gruppe der Lipide sehr heterogen was die Einteil ung nich t so einfach mac ht. Man unterscheide' t verschiedene Fettsäuren, die entweder isoliert oder als Bausteine größerer Lipide vorkommen, von komplexeren Lipiden, die man in zwei große Gruppen unterteilen kann: In die Isoprenderivate und die verseitbaren Lipide. Letztere sind zusammengesetzte Lipide, dich sich dadurch auszeich nen, dass sie Esterbindungen enthalte n.
Fettsäuren
Fettsäuren (I Abb. 2) kommen entweder isoliert oder als Bausteine größerer Lipide vor. Sie bestehen aus lä ngeren Ode weniger langen, unverzweigten Kohlenstoftketten, die an r einem Ende eine Carbonsäu regruppe [Carboxyl-Gruppe, COOH) besitzen. Bei einem pH von 7,4 liegen sie dissoziiert vor [COO-). Die kürzeste Fettsäure ist mit ihren vier CAto men die Butan- oder Buttersäure.
apolarer Schwan z I Abb. 2: Aufbau einer Fett sä ure
polarer Kopf
....
Lipidstoffwe chsel
62
I 63
Eigenschaften Polarität Fettsäuren si nd amph iphil. je nachdem, wie lang die Kohlenstoffkette ist, kann die hydrophil e Carboxyl-G ruppe am Fettsäurekopf (kurze Ketten) oder die Lipophilie des apolaren Schwanzes überwiegen (lange Ketten).
Arachidonsäure (I Abb. 4) herstellen. Diese ist somit halbessenziell, da ihre Produktion vom Vorhandensein essenzieller Fettsäuren abhängig ist. Obwohl die Ölsäure (I Abb. 4) auch eine Doppelbindung nach C9 trägt, ist sie nicht essenziell, da sie durch Oxidation aus der nicht essenziellen Stearinsäure hergestellt werden kann.
Sättigung Gesättigte Fettsäuren haben zwischen ihren C-Atomen ausschließlich Einfachbindungen. Von einer ungesättigten Fettsäure spricht man, wenn sie mindestens eine Doppelbind ung zwische n ihren Kohl enstoffatomen trägt Bei mehr als einer Doppelbindung handelt es sich um eine mehrfach ungesättigte Fettsä ure. Des Weiteren spielt die Lage der Doppelbindungen untereinander eine Rolle. Hier unterscheidet man zwischen konjugierten (Doppel- und Einfachbindungen wechseln sich ab) und isolierten Doppelbind ungen (zwischen zwei Doppelbindungen liegen mindestens zwei Einfachbindungen.), sowie zwischen cis-und trans-Isomeren (I Abb. 3). Die Fettsäuren im menschlichen Organismus besitzen immer isolierte (cis·) Doppelbindungen.
Nomenklatur Für Fettsäuren gibt es verschiedene Schreibweisen. Wichtig hierbei sind jeweils die Anzahl der Kohlenstoffatome sowie Anzahl und Positionen der Doppelbindungen. Man nummeriert die Kohlenstoffatome bei der Carboxylgruppe beginnend durch. Die Position der Doppelbindungen wird durch den griechischen Buchstaben Delta~" markiert, wobei das n die Nummer des C-Atoms darstellt, von dem die Doppelbildung ausgeht. Bei einer Doppelbindung zwischen dem 9. und dem 10. C-Atom, hieße diese ~9 . Bei der ffi-( = Omega-) Namensgebung beginnt man die CAtome vom Methylende aus durchzuzählen. Die Entfernung der ersten Doppelbindung vom w-C I-Atom ist hier ausschlaggebend. So kann man zwei wichtige Familien unterscheiden: die ffi-6-Familie und die w-3-Familie.
Essenzielle und halbessenzielle Fettsäuren Es gibt zwei Fettsäuren, die der Körper nicht selbst herstellen kann, da er keine Doppelbindungen jenseits des C9-Atoms einbauen kann. Diese sog. essenziellen Fettsäuren, die mit der Nahrung aufgenommen werden müssen, sind di e Linolsäure und die UnoJensäure (I Abb. 4). Nur aus diesen können die Zellen im endoplasmatischen Retikulum die
Struktur Die Kohlenstoffkette bildet im Raum meist eine Zickzackform aus, da sie in dieser Form am stabilsten ist Zur einfacheren Darstellung kann man anstatt alle C-Atome extra auszuschreiben, auch eine Zickzacklinie an die Carboxyl-Gruppe zeichnen, wobei jede Spitze für ein Kohlenstoffatom steht.
/o" 10
II
9
C-OH
Ölsäure
13
12
10
9
I Abb. 3: Isolierte (cis-) Doppelbindung (oben) und konjugi erte (Irans-) Doppelbindung (unten)
Linolsäure
16
15
13
12
10
9
Linolensäure
15
14
12
11
9
8
6
Arachidonsäure
5
/o" II
C-OH I
Abb. 4 : Öl säure , Linolsäure, Linolen sä ure, Arac hidonsäure
Lipide und Fettsäuren II 0
Verseitbare Lipide
I Abb . 5: Aufbau ein es Triacylglycerins
II
H2C- o -c-R1
Unter die Gruppe der verseitbaren Lipide fa llen sowohl einfache als auch komplexe Lipide:
I
~ ~C-
HC-O- C-R2
I
H2C- 0 -
~
Zu den einfachen Lipiden gehören die Wachse, Öle und Fette. Sie bestehen aus einem Alkohol, der mit einem oder mehreren Acylresten verestert ist. ~ Die komplexen Lipide tragen zu. sätzlich noch andere (polare) Kompo· nenten. Man teilt sie nach ihrem Alkohol-Grundgerüst in Phosphoglyceride und Sphingolipide ein.
R3
(Phosphatidylserin, Phosphatidylethanol· aus einem Glyceringerüst, das an zwei amin ) und Phosphati dyl inositol. sei ner Hydroxylgruppen mit Phosphatidsäuren verestert ist. ~ Der einfachste Vertreter der Phosphoglyceride ist die Phosphatidsäure, Sphingolipide bei der die Phosphorsäure allein mit Die Sphingolipide (I Abb_ 7) besitzen dem Glyceringrundgerüst verknüpft als Grundgerüst den Arn inodialkohol ist. Sie ist demnach eine Phosphorsäure- Sphingosin, der das Produkt aus Serin Einfache, verseitbare Lipide monoesterverbindung. Ihre Bedeutung und Palmitoyl-CoA darstellt. hat sie als Zwischenprodukt der Triacyl~ Fette: Die sog. Neutralfette (I Abb. 5) bestehen aus einem Glycerinmolekül, glycerin- und Phosphoglyceridbiosyn~ Das einfachste Sphingolipid ist das das an jeder seiner drei Hydroxylgrupthese. Ceramid, das durch die Verknüpfung pen mit einer Fettsäure verestert ist. ~ Phosphorsäurediester zwisc hen Dia· von Sphingosin mit einem Acyl-CoA Man kennt sie auch unter dem Namen cylglycerin und Cholin bezeichnet man entsteht (Säureamidbindung) . Es komrnt Triacylglycerine oder abgekürzt Triglyce- als Lecithine. Sie sind die häufi gsten hauptsächlich in der Haut vor. rid e. Auch Mono- oder Diacylglycerine Phosphoglyceride und wichtige Bau~ Wird an die endständi ge Hydroxylgehören zu den Fetten, diese sind aufsteine biologischer Membranen. gruppe des Ceramids ein Phosphorylcho. grund ihrer hydrophilen OH-Gruppe, ~ Phosphatidylserin und Phosphatidyllinrest gebunden, so erhält man Sphinamphiphil. ethanolamin gehören zu der Gruppe der gomyelin. Dieses ist ein wic htiger ~ Öle: Der Aufbau der Öle ist analog Kephaline. Serinkephalin gilt u. a. als Bestandteil der Myeli nscheiden des zu dem der Fette, mit dem Unterschied, eine gerinnungsaktive Substanz. Nerve ngewebes. dass Öle einen hohen Anteil an mehr· ~ Das Phosphatidylinositol ist ein ~ Verknü pft man Ce ramid mit einem fach ungesättigten Fettsäuren (Linolhäufig vorkommender Phosphodiester, aktivierten Monosaccharid, so entsteht säure, Linolensäure, Arachidonsäure ) bei dem die Phosphorsäure des Glyceein Cerebrosid. Das Monosacc harid besitzen . Außerdem liegen Öle bei rinphosphats mit dem zykli sche n Alko· ist dabei meistens Ga laktose, die VerRaumtemperatur in fl üssiger Form vor. hol Inositol verbunden ist. Es ist ein knüpfung erfolgt glykosid isch an der ~ Wachse: Bei den Wachsen handelt es wichtiger Membranbaustein und dient endständi gen OH-Gruppe des Ceramids sich um Ester zwischen einer langketdort als Anker für Membranproteine. Cerebrosin komm t hauptsächlich im · Außerdem spielen lnositolphosphatide tigen Fettsäure und einem einwertigen ZNS, aber auch in anderen Geweben , als Second messenger eine Rolle bei vor. Alkohol. der Signa ltransduktion. ~ Ein Gangliosid entsteht bei Kopplun ~ Ein weiteres wichtiges Phospho· von Ceramid mit einem Oligosaccharid.g Phosphoglyceride glycerid ist das Cardiolipin, das in Die Phosphoglyceride (auch PhosphoGlukose, Galaktose, N-Acetyl-Neuramin. Mitochondrienmembranen in hoher säu re und N-Acetyl-Galaktosamin werlipide genannt, I Abb. 6) enthalten, den schrittweise glykosidisch an die wie die Acylglycerine auch, den Alkohol Konzentration vorkommt. Es ist ei n endständige OH-C ruppe des Ceramids Glycerin (allerdings als Phosphoglycerin) Diphosphatidylglycerin, besteht also als Grundgerüst Bei den Phosphoglyceriden ist also eine der Hydroxylgruppen 0 nicht mit einer Fettsäure, sond ern mit H 2C- O - C ~ einer polaren Phosphorsäure verestert, H2C-OH I ~ die den Phosphoglyceriden ihren amphi· I H C- 0 -C~ HC - OH 0 philen Charakter vermittelt. Über die I ~ I II H2C- 0 - P- R H2C- 0 - P- 0 Phosphorsä ure können Phospholipide I I Verbindungen mit anderen polaren Be0 0 sta ndteilen wie Cholin, Serin oder lnoI Phospholipid I Phosphoglycerin sitol ausbilden. Dabei entstehen Phosphosäured iesterverbindungen wie LeciI Phosphatids~ I Abb. 6: Pho sphoglycerin, Phosp hatidsä ure und Phospho lipid thin (Phospha tidylcholin), Kephalin II
I
I
Lipidstoff wechsel
641 65
Cholesterin (s. Kap. 72), die Steroidhormone (s. Kap. 90 und 92), die Gallensäuren (s. Kap. 122) und das Vitamin D (s. Kap. 86). Funktion der Lipide und des Fettgewebes H2C-OH
I I
~
H C-N- C ~
H
~ A C-O H
I Ceramid I
H
H2C-0- R
~
I
HC-N -C~
I
H
~ A C-OH H wenn R = Cholin
: Sphingomyelin
Eine bekannte Hauptaufgabe der Lipide ist die Energiespeicherung, das ist aber noch lange nicht alles. So gehören z. B. alle fettlöslichen Vitamine und alle Stereidhormone zur Klasse der Lipide. Sphingolipide machen einen großen Anteil des ZNS· und Nervengewebes aus, das bis zu 40% aus Lipiden aufgebaut ist. Auch als Bestandteil biologischer Membranen sind Lipide unverzichtbar. Insbesondere die Phospholipide sind am Aufbau von Membranen beteiligt, indem sie sich zu Lipiddoppelschichten anordnen. Im Körper gibt es zwei Arten von Fettgewebe: weißes und braunes Fettgewebe. Ersteres ist univakuolär und dient als Energiespeich er (Depotfett) und Baumaterial (Baufett) . Braunes Fettgewebe (plurivakuolär) kommt als Thermo· regulator hautsächlich bei Säuglingen vor.
wenn R = ein Monosaccharid:
Cerebrosid
~
wenn R =ein Oligosaccharid :
Gangliosid
eher. Die Verbrennung von I g Fett liefert ca. 9,3 kcal bzw. 39,06 kJ Energie. Bei Energiemangel werden die Fettspeicher, die v. a. aus Triacylglycerinen bestehen, durch Aktivierung der Lipolyse mobilisiert. Das Depotfett sorgt außerdem für eine ausreichende Wärmeisolation und Polsterung des Körpers . .,.. Das Baufett dient dem Körper als BaumateriaL Seine Aufgaben sind die Fixation und Isolation von Organen, es kommt beispielsweise im Nierenlager, in der Augenhöhle und an den Fußsohlen vor.
I Abb. 7: Struktur der Sphingolipide 13]
gebunden. Ganglioside sind in der grauen Substanz des Ge· hirnsund in Membranen verschiedener Zellen enthalten. 1)1' Cerebroslde, Sulfatlde und Gensiloaide fasst man Zl,l derGrupo
P.! der Glykosphlnsollplde zusammen.
Depotfett dient dem Körper vorwiegend als Energiespei·
Isoprenderivate
Eine Lipidgruppe, deren Vertreter ausnahmsweise keinen Alkohol als Grundgerüst enthalten, ist die der Isoprenderi· vate. Wie der Name bereits sagt, leiten sich diese vom Isopren (2·Methyl·l ,3·Butadien) ab. Man unterscheidet dabei zwei Untergruppen: die Terpene und die Steroide.
Zusammenfassung X Lipide sind lipophile Moleküle, die aus Acetyi-CoAEinheiten aufgebaut sind. X Amphiphile Moleküle besitzen ein hydrophiles und ein lipophiles Ende, und haben deshalb besondere
Terpene
Terpene sind einkettige Moleküle, die durch Polymerisierung mehrerer Isopreneinheiten entstehen. Je nachdem, aus wie vielen Isopreneinheiten ein Terpen besteht, wird es entweder als Monoterpen (2 Einheiten), als Sesquiterpen (3 Einheiten) , oder als Di·, Tri· oder Tetraterpen (bei 4, 6 oder 8 Isopren· einheiten) bezeichnet. Zu den Terpenen gehören die pflanz· Iichen Carotinoide, die Pheromone, sowie die fettlöslichen Vitamine Retinol, Tocopherol und Phyllochinon. Steroide
Auch die Steroid e sind Derivate des Isoprens. Sie entstehen durch Cyclisierun g des Triterpens Squalen, und leiten sich allesamt vom Steran (Cyclopentano ·Perhydrophenanthren) ab. Die für uns wichtigsten Vertreter der Ste roide sind das
Lösungseigenschaften. Sie bilden in wässrigem Umfeld Grenzschichten, Mizellen, Bilayer oder Liposomen aus. X Fettsäuren sind unverzweigte Kohlenstoffketten, die an einem Ende eine Carboxylgruppe tragen (COOH). X Die meisten komplexeren Lipide enthalten als Grundgerüst einen Alkohol (Glycerin oder Sphingosin). Eine Ausnahme bilden die lsoprenderivate, die sich vom Isopren ableiten. X Triacylglycerine bestehen aus einem Glycerinmolekül, das mit drei Acylsäure-Resten verestert ist.
Biosynthese der Fettsäuren und Triacylglycerine Steht dem Körper mehr Energie in Form von Nährstoffen zur Verfügung als er gerade benötigt, werden Vorräte angelegt. Das überschüssige Acetyl-CoA, das u. a. bei der Glykolyse entsteht, wird zur Fettsäuren-Biosynthese verwendet. Diese wiederum werden in Form von Triacylglyceri nen im Fettgewebe gespeic hert. Bei der Fettsäuresynthese unterscheidet man die Fettsä urekettenverlängerung von der "de-novo"-Synthese von Fettsäuren. Bei dieser werden Fettsäuren aus Acetyl-CoA-Einheiten neu hergestellt. Hauptbildungsort ist die Leber, allerdings können fast alle Zellen des Körpers gesättigte Fettsä uren synthetisieren. "De-novo"-Fettsäuresynthese
Die Biosynthese der Fettsäuren spielt sich im Gegensatz zur ß-Oxidation, die im MHochondrium stattfindet, im Zytosol ab. Katalysiert wird die Gesamtreaktion durch einen Multienzymkomplex, dem Fettsäure-Synthase-Komplex, als Reduktionsmittel wird NADPH benötigt. Über die "de-novo"Synthese können gesättigte Fettsäuren mit Kettenlängen von C16 (Palmitinsä ure) bis C18 (Stearinsäure) hergestellt werden. Eine Kettenverlängerung oder die Einführung von Doppelbindungen sind in weiteren Schritten möglich (s. u.) . ZI,Jr VeranscJiaullchung die Summengleichung der Synthese am Belspiel der PalmitlnSiure: 1 Acetyf-CoA + 7 Malonyt;CoA 11- 14 NADPH + 14 W ~ CH.-(CH2) 14.,CODH + 7 C02 + 6 H20 + 8 CoA + 14 NAOp+
Bausteine der Fettsäuresynthese 11>- Malonyl-CoA: Die benötigten Malonyl-CoA-Moleküle entstehen durch die Carboxylierung von Acetyl-CoA (I Abb. 1). Die Acetyl-CoA-Carboxylase, welche die Reaktion katalysiert, ist das Schrittmacher-Enzym bei der de-novo-Synthese von Fettsäuren. Dessen Aktivität wird hormonell und allosterisch reguliert: Insulin, Citrat und ATP führen zu einer Aktivitätssteigerung, Glukagon, Katecholamine, Acyl-CoA (aktivierte Fettsäuren) und AMP hemmen die Acetyl-CoACarboxylase. 11>- Acetyi-CoA: Das Acetyl-CoA, das in den Mitochondrien entsteht, kann die Mitochondrienmembran nicht passieren und benötigt ein Transportsystem, um ins Zytosol zu gelan·
~\
r
I Abb. 2: AcetyiCoA
AcetyiCoA
Citrat
c;".,
Transpo rt von Ace ty i-CoA aus dern M itochondrium ins Zytosol
Oxalace tat
Oxalacelat
r
NADH
Malat
Pyruvat ~
Pyruvat
NADPH
gen. Dies geschieht über eine intermediäre Citratsynthese durch Reaktion von Acetyl-CoA mit Oxalacetat (I Abb. 2) . 11>- NADPH: Als Quellen der NADPH-Bildung di enen einerseits die ersten beiden Schritte des Pentosephosphatweges, aber auch folgende Reaktion, die vom sog. Malatenzym (= decarboxylierende Mala tdehydrogenase ) katalysiert wird: Malat + NAPD + ~ Pyruvat + C0 2 + NADPH + H+ Die Fettsäure-Synthase und ihre Reaktionsschritte
Bei der Fettsäure-Synthase handelt es sich um einen Mulitenzymkomplex. Sie besteht aus zwei Untereinhei ten, die jeweils eine zentrale und eine periphere SH-G ruppe entha lten. Die zentrale SH-Gruppe ist Teil eines Phosphopantetheins, welches an ei nem Träge rmol ekü l namens Acyl-Carrier-Protein (ACP) hängt. Die Reaktionen spielen sich im WesenUichen an der zentralen SH-Einheit ab, die periphere Einheit dient lediglich der Aufnahme des ersten Acetyl-CoAs und der Zwischenlagerung von Fettsäureketten. Ein Zykl us der Fettsäuresynthese besteht aus meh reren Reaktionsschritten, die in I Abbildung 3 dargestellt sind.
Leber, Niere
Fettgewebe, Muskulatur
Glyce ri nkinase
Glyce ri n-3-®
-
0 e hydroge nase
Dihydroxyaceton-®
Ä
Glykolyse Glycerin-3-®
. ®
Glycenn -3- I) - _ _ _
~2 Acyi-CoA
Acyltran sferase
2 CoA Phosph atidsäure
Acetyi-CoA
Bio!in
Carboxybiotin
1
Biotin
Malonyi-CoA
Diacylg lyce ri n ___ Acyltrans fera se
ATP C02
r
Diacylg lyccri n
ADP,P,
I Abb. 1: Biotinabh ängige Ca rb oxyli erun g von Acetyi-CoA zu Malonyi-CoA [21
Acy i-CoA
~
oA
Triacylglycerln
I Abb. 4: Schritt e der Triacylglyceri n-Syn t hese [7 1
Lipidsto ffwechse l
dSrH
~ S,H o,,c,CoA
d:>pl
I
CH 3 arter·Acelyi-CoA
1 - Einschleusung eines Acetyi-CoA zum Start d er Fettsäuresynthese Übert ragu ng des Acetyl rests auf die periphere SH-Gruppe Anlagerung eines Malonyi-CoA an die ze ntrale SH -Gruppe Ko ndensation der Malonyl- u nd Acetylreste 1. Redukt ion Dehydratation 2. Reduktio n 8 - Übertrag ung des Butyrylrests au f die periphere SH-Gruppe
234567-
9 - ern eute Bind ung eines Malonyi ·CoA an die zentrale SH -Gruppe
-> der Zyklu s kann von vorn beginnen
CoA-SH
2. Reduktion
SpH
0
II
S, -C - CH 3
2
66
I 67
kularem Sauerstoff und NADPH die Einführung von Doppelbindungen in Fettsäuren. Wichtig zu wissen ist, dass dies nur bis zum C9-Atom möglich ist, d. h. Fettsäuren mit Doppelbindungen jenseits davon kann der Mensch nicht selber synthetisieren. Diese sind also essenziell und müssen mit der Nahrung aufgenommen werden (z. B. die Linolund die Linolensäure). Die Arachidonsäure ist halbessenziell, d. h. sie kann aus der essenziellen Linolsäure hergestellt werden (durch Kettenverlängerung und zweifache Desaturierung). ~ Bildung ungeradza hliger Fettsäuren: Ungeradzahlige Fettsäuren sind
selten und entstehen meist zufällig, wenn als Startermolekül statt AcetylCoA ein Propionyl-CoA (C3-Rest!) gebunden wird. Synthese der Triacylglycerine
0
CoA
~C- CH 2 -coo 0
SPH
Malonyi-CoA
0 ~
CoA-SH
II
0
II
S, -C-CH 2 -C-CH 3
I Abb. 3: Fettsä uresynthe se ]7]
Pro Zyklus wächst die Fettsäurekette um zwei Kohlenstoffatome. Der Zyklus wiederholt sich so lange, bis sie lang genug ist. Dabei ist zu beachten, dass der Fettsäurere st die ganze Zeit an dem Enzymkomplex hängen bleibt. Erst bei Erreichen der nötigen Länge wird die entstandene Fettsäure durch die Thioesterase aus dem Komplex freigesetzt. Besonderheiten bei der Fettsäuresynthese ~ Bildung von längeren Fettsäureketten: Die Fettsäuresynthase führt zur
Bildung von Palmitin- ( 16 Kohlenstoffatome) oder Stearinsäure (18 Kohlenstoffatome). Gelegentlich werd en aber auch längere Fettsäureketten benötigt, wie z. B. für die Synthese der Arachidonsäure (C 20 ) . Dies wird durch ei n in
der Membran des endoplasmatischen Retikulums lokalisiertes System zur Fettsäurekettenverlängerung erreicht, das so ähnlich funktioniert wie die Fettsäure-Syn thase-Reaktion. ~
Bildung ungesättigter Fettsäuren:
Das Enzym Acyl-CoA-Desaturase ermöglicht unter Verbrauch von mole-
Die freien Fettsäuren werden im Zytoplasma der Adipozyten in Form von Glycerinestern, den sog. Triacylglycerinen (Neutralfette) gespeichert. Die Synthese der Triacylglycerine spielt sich in der Leber und im Fettgewebe ab und benötigt als Baustein die aktivierte Form des Glycerins, das Glycerin-3-Phosphat. Diese entsteht vorwiegend aus dem Dihydroxyacetonphosphat (DAP), einem Zwischenprodukt der Glykolyse, oder seltener auch direkt aus Glycerin. Auch die Fettsäuren müssen vor der Veresterung mit dem Glycerin zu Acyl-CoA aktiviert werden. Unter ATP-Verbrauch wird die Bildung des Acyl-CoAs durch die Fettsäure-Thiokinase (Acyl-CoA-Synthetase) katalysiert. I Abbildung 4 zeigt die Synthese der Triacylglycerine.
Zusammenfassung X Die Fettsäuresynthese findet im Zytosol v.a. der Hepatozyten statt und wird katalysiert durch einen Multienzymkomplex, die Fettsäure-Synthase. X Bausteine der Fettsäuresynthese sind Acetyi-CoA, Malonyi-CoA und als Reduktionsmittel NADPH/H+. X Die Acyi-CoA-Desaturase wird für die Bildung ungesättigter Fettsäuren benötigt. Sie katalysiert den Einbau von Doppelbindungen, allerdings nur bis zum C9-Atom.
Abbau der Neutralfette und Fettsäuren PP, CoA AMP AMP- O, _":-0 CoA, 4 0 I Abb. 1: Einze lschritte Die Fettsäuren werden in Form der Tria- HO, c_":-0 ATP c c"' zur Fettsä ure-AktivieI I cylglycerine im Fettgewebe gespeichert I ~ ~ CH2 CH2 rung CH2 und können bei Energiebedarf mobiliI I I R R R siert werden: Die Neutralfette werden Fettsäure Acyladenylat Acyi-CoA dazu in Glycerin und frei e Fettsäuren gespalten. Letztere gelangen ins Blut und können von verschiedensten Organen fin det in hepatischen Peroxisomen statt. Transport in die Mitochondrien aufgenommen und unter Energiegewin- Die ß-Oxidation kann in fast allen Damit das im Zytosol entstehende nung (ß-Oxidation) abgebaut werden. Organen ablaufen, wi rd aber v. a. von Acyi -CoA in die Mitochondrienmatrix Leber, Skelettmuskel und Herzmuskel gelangen kann, bedarf es eines spezizur Energiegewinnung genutzt. ellen Tra nsportsystems, da die innere Abbau von Triacylglycerinen Mitochondrienmembran für Acyl-CoATriacylglycerine werden bei Bedarf durch Verbindungen und urchlässig ist. Diese Allein das Gehim und die Erythrozyten Hydrolyse der Esterbindungen in GlyceAufgabe übernimmt das Carnitin. sind nicht zur Fettsäureverwertung befärin und Fettsäuren gespalten. Diesen Unter Abspaltung von CoA geht dieses higt, da Fettsäuren die Blut-Hirn-Schranke Vorgang bezeichnet man als Lipolyse. nicht Oberwinden können und Erythromit der Fet_tsäu~e eine Esterverbindung zyten keine Mitochondrien besitzen. Er wird durch spezifische Lipasen kataly(AcylcarDitm) em, welche die Mitochonsiert, die jeweils für Tri-, Di- oder Monodrienmembran passieren kann . Katalyacylglycerine zuständig sind. Reguliert siert werden di e beiden Schritte durch Vorbereitung der ß-Oxidation wird die Lipolyse im Wesentlichen über die Carnitin-Acyi-Transferase I und die die Triacylglycerinlipase, die sog. horBevor der Abbau beginnen kann, müsTranslokase. in der Mi toc hondrienmamonsensitive Lipase. Adrenalin, Nor- sen die reaktionsträgen Fettsäuren aktitrix angelangt, wird der Acylrest durch adrenalin, Glukagon und ACTH stimuviert und in die Mitochondrien, dem Ort die Carnitin·Acyltransferase II vom lieren die Aktivität der hormonsensitiven der ß-Oxidation, transportiert werden. Acyleamitin wieder auf Coenzym A Lipase, Insulin hemmt diese. Das frei übertragen . ln I Abb. 2 ist ein Überblick gewordene Glycerin wird in der Leber Fettsä uren-Aktivieru ng über das Transportsystem dargestellt. und in den Mukosazellen des Darms Durch Bindung an Coenzym-A werphosphoryliert und in Dihydroxyaceton- den die Fettsäuren reaktionsfreudig ge- Ablauf phosphat (DAP) umgewandelt, das anmacht. Zunächst entsteht nach Reaktion schließend in die Glykolyse eingeschleust der Fettsäure mit ATP das Acyladenylat, Die ß-Oxidation stellt eine n Zyklus dar oder zur Glukoneogenese verwendet bei dem die Fettsäure an die Phosphatin dem vier Reaktionsschritte immer ' werden kann. Die freien Fettsäuren gruppe des AMP gebunden ist. Im wieder durchlaufen werden. In jeder können in den verschiedenen Organen folgenden Schritt wird diese Bindung Rund e werden zwei C-Atome der abzu Acetyl-CoA abgebaut werden. durch die SH-Gruppe von Coenzym A zubauenden Fettsäure in Form von gespalten, wobei AMP frei wird und das Acetyl-CoA abgespalten. aktvierte Acyi-CoA entsteht (I Abb. I). Die vier Reaktionen der ß-Oxidation Abbau von Fettsäuren Diese Reaktionsschritte werden von sind: (ß-Oxidation) der Thiokinase (Acyi-CoA-Synthetase) katalysiert, die im Zytoplasma an der Die Enzyme der ß-Oxidation befinden ..,. 1. Oxidation (in Form einer Dehyäußeren Mitochondrien membran lokasich vorwiegend in den Mitochond· drierung): Im ersten Schritt wird das lisiert ist. rien, nur ein Teil des Fettsäure-Abbaus Acyi-CoA zu Enoyi-CoA oxidiert, wobei
J.
äußere Mitochondrienmembran
J.
Innere Mitochondrienmembran
Acyi-CoA Carnitin-Acyllransferase I CoA-SH
CoA-SH +--!f--It--
I Abb . 2: extramltochondrlalea Kompartiment
Zwlachenmembranraum
Mltochondrlenmetrlx
Der CarnitinCarri er in1 Überbli ck
l l i' J
Lipidstoff wechsel
zwei Wasserstoffatome auf FAD übertragen werden(= Dehydrierun g). Es entsteht eine Doppelbindun g zwischen C2 und U Das entstandene FADH 2 gibt seinen Wasserstoff im Anschluss sofort an ein Flavoprotein, das sog. Elektronen-Transfer-Protein, weiter, das die Elektronen über das Ubichinon in die Atmungskette übergibt. Enzym dieser ersten Reaktion ist di e Acyi-CoA-Dehydrogenase. ..,.. 2. Hydratisierung: Die Enoyi-CoAHydratase katalysiert die Anlagerung von H20 ans Enoyi-CoA, wodurch L-ß-Hydroxyacyi-CoA entsteht. Bei dieser Hydratisierung wird die im ersten Schritt geknüpfte Doppelbindun g wieder aufgelöst. ..,.. 3. Oxidation (in Form einer Dehydrierung): Die Oxidation der ß-Hydroxylgruppe durch die L-ß-HydroxyacyiCoA-Dehydrogenase hat die Entstehung einer Ketogruppe zur Folge. ln dieser NAD+-abhängigen Reaktion entsteht das ß-Ketoacyi-CoA sowie NADH/H+, das seine Wasserstoffe an die Atmungskette energiebringend weiterleitet. ..,.. 4. Thiolyse: Im letzten Schritt wird die Bindung zwischen den a und ß-C-Atomen durch die SH-Gruppe eines zweiten CoA-Moleküls thiolytisch gespalten. Die 3-Ketothiolase katalysiert diese Reaktion, bei der ein AcetyiCoA abgespalten wird , und ein um 2 C-Atome verkürztes Acyi-CoA entsteht. Besonderh eiten
..,.. Abbau ungeradzahliger Fettsäuren: Hier entsteht bei der letzten Spaltung statt einem Acetyl-CoA ein Propionyl-CoA. Dieses kann über Malonyi-CoA in Succinyi-CoA umgewandelt und in den Citratzyklus eingeschleust werden. Succinyi-CoA kann außerdem über Oxalacetat als Substrat der Glukoneogenese dienen. Damit kann hier ausnahmsweise aus einem Stück Fettsäure Glukose hergestellt werden. ..,.. Abbau ungesättigter Fettsäuren: Der Abbau un gesä tti gter Fettsäuren geschieht über die gleichen vier Reaktionsschritte wie der Abbau gesättigter Fettsäuren. Allerdin gs muss ein Umweg über zwei zusätzliche Enzymaktivitäten
,p R-CH2-CH 2-C H2-C
'c oA
CH 3 -C ' coA Acetyi-CoA 3-Keto-Thiolase
r
4
f
FADH 2 '
,...0 R-CH 2-c ' 'coA, Acyi-CoA (C n-2) ,'
,,o
'
'
\ '
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\
0
H '
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,R - CH ~-C= C-C
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'
~
'Co A
a-ß-ungesättigte-
I
'
I 69
~AD 1 - - - - - Acyi-CoA-Dehydrogenase
Acyi-CoA (C~~ , - - - - - - - - , , , r
68
\
ü--
0
R-CH,-g1.CH2 -C' -----' coA
--
s
F)""'"~;·:~ Hydratase
I Abb . 3: Die ß-Oxidation auf ei nen Blick [7]
eingeschlagen werden, da ungesättigte Fettsäuren in der "cis"-Form vorliegen, die ß-Oxidation aber nur "trans"-Formen umsetzen kann.
Transkriptionsrate für die Carnitin-Acyltransferase I steigern.
Regulation
Das bei der ß-Oxidation entstehende FADH 2 liefert bei Oxidation in der Atmungskette 1,5 Moleküle ATP, das NADH/ W 2,5 ATP. Pro Molekül AcetylCoA können bei Endoxidation in Citratzyklus und Atmungskette 10 Moleküle ATP gewonnen werden. Der Abbau von Palmitinsäure (16 C-Atome) führt beispielsweise zur Bildung von 108 ATPMolekülen (8 Acetyi-CoA + 7 FADH 2 + 7 NADH/ H+). Zieht man die zwei ATP, die man für die Fettsäure-Aktivierung benötigt ab, so bleiben immer noch 106 gewonnene ATP-Moleküle übrig!
Die einzelnen Enzyme der ß-Oxidation werden nicht direkt reguliert. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt beim Abbau von Fettsäuren ist stattdessen die Reaktion der Carnitin-Acyltransferase I, der erste Schritt des Fettsäuretransports in die Mitochondrienmatrix. Gehemmt wird diese durch Malonyi-CoA, einem Zwischenprodukt der Fettsäurebiosynthese. Stimulierend wirken dagegen Schilddrüsenhormone sowie langkettige Fettsäuren, die die
Energiebilanz
Zusammenfassung tc Die hormonsensitive Lipase ist Schrittmacherenzym bei der Lipolyse, dem Abbau von Triacylglycerinen zu freien Fettsäuren. tc Die ß-Oxidation findet in den Mitochondrien statt. Über den CarnitinCarrier können aktivierte Fettsäuren (Acyi-CoA) ins Innere der Mitochondrien gelangen.
tc Ein Zyklus der ß-Oxidation beinhaltet vier Reaktionen: erste Oxidation, Hydratisierung, zweite Oxidation, Thiolyse.
tc Bei jedem Zyklus entstehen ein Acetyi-CoA, ein Molekül FADH 2 und ein Molekül NADH/H+. Die anschließende Oxidation dieser Produkte hat eine hohe Energieausbeute zur Folge.
Ketonkörper der gespalten. Dabei entstehen Acetacetat und ein freies Acetyl-CoA.
Im Hungerzustand kommt es im menschlichen Organismus zur vermehrten Synthese der sog. Ketonkörper. Kann der Energiebedarf der Organe nicht durch die Zufuhr von Kohlenhydraten gedeckt werden, was schon bei einer (kohlenhydratarmen) Diät mit einem Kohlenhydratanteil von 10-20% der Fall ist, schaltet der Körper auf den Ketonkörpermetabolismus um. Ketonkörper werden aus Acetyl-CoA synthetisiert, und sind geeignete Energielieferanten, da sie gut löslich sind, und von den meisten Organen verwertet werden können.
Aus Acetacetat können die anderen beiden Ketonkörper ß-Hydroxybutyrat und Aceton gebildet werden. ß-Hydroxybutyrat entsteht durch die Reduktion von Acetacetat durch die ß-HydroxybutyratDehydrogenase. Als Reduktionsmittel wird hierzu NADH/ H+ benötigt, das dabei zu NAD+ oxidiert wird. ß-Hydroxybutyrat kann die Leberzelle leicht verlassen und stellt daher die "Transportform" der Ketonkörper dar. In einer nichtenzymatischen Reaktion kann Acetacetat zu Aceton decarboxylieren. Da es im Körper keine Verwendung findet, wird es über die Atemluft ausgeschieden und führt so bei stark erhöhter
Ketogenese
~
Acetyi-CoA
Steuerung der Ketonkörpersynthese
Die Ketonkörpersynthese wird nicht direkt reguliert, sie hängt vielmehr vom Angebot an Acetyl-CoA ab, und davon, wie viel von dem Acetyl-CoA in den Citratzyklus eingeschleust werden kann. Damit Acetyl-CoA im Citratzyklus weiterverwertet werden kann, benötigt es Oxalacetat, mit dem es zu Citrat reagiert (s. Kap. 76). Das Oxalacetat wiederum wird nicht nur im Citratzyk!us, sondern auch für die Glukoneogenese (s. Kap. 56) benötigt.
Acetyi-CoA
ITh1olase I
Die Biosynthese der Ketonkörper findet ausschließlich in den Mitochondrien der Leberzellen aus Acetyl-CoA statt. Die in die Mitochondrien transportierten freien Fettsäuren werden hier über die ß-Oxidation zu Acetyl-CoA, abgebaut. Geschieht dies in dem Ausmaß, dass mehr Acetyl-CoA anfällt, als im Citratzyklus weiterverwertet werden kann, wird auf die Ketonkörpersynthese umgeschaltet. In drei Schritten wird aus Acetyi-CoA das Acetacetat (I Abb. 1): ~ Der erste Schritt entspricht der Umkehrung der Ketothiolasereaktion der Fettsäureoxidation und wird von der 3-Ketothiolase katalysiert. Zwei Moleküle Acetyl-CoA reagieren hierbei unter Abspaltung eines CoA miteinander zu Acetacetyl-CoA. ~ Verbindet sich nun ein weiteres Acetyl-CoA mit dem Acetacetyl-CoA, so entsteht ß-Hydroxy-ß-MethylglutarylCoA (HMG-CoA). Diese Reaktion wird durch die mitochondriale ß-HMGCoA-Synthase katalysiert (nicht zu verwechseln mit der zytoplasmatischen HMG-CoA-Synthase bei der Cholesterinbiosynthese!). ~ Anschließend wird das HMG-CoA durch die HMG-CoA-Lyase sofort wie-
Ketonkörperproduktion (wie z. B. bei juvenilen Diabetikern) zu einem typischen Acetongeruch der Atemluft
HS-CoA
l - CoA
~
l - CoA
H~- C- CH2-C
+ H20
H3C- C ~
~
0
~
Acetacetyi-CoA
0
Acetyi-CoA
Iß-HMG-CoA-Synthetase I HS-CoA
0 ~
/
OH
I
C- CH2- C- CH2-COO-
I
CoA- S
CH3
o-3-Hydroxy-methyl-glutaryi-CoA (HMG-CoA)
Iß-HMG-CoA-Lyase
I~
l
- CoA
H~- c
~
0 H3C-
'~:{ 0 11
H3C- C- CH3 Aceton
II C-
0 CH2-c oo-
Acetacetat
co2 OH
I H3C- ? - CH2
- coo-
H
I
Abb . 1: Ketonkörpersynthese 121
o-3-Hydroxybuttersäure (D-3-Hydroxybutyrat)
Lipidstoffw echsel
Veränderungen im Hungerzustand
passieren können. Nach einer Adaptationsphase von mehreren Tagen (nach Induktion der CoA-Transferase} ist das Herrscht im Körper ein Hungerzustand, ZNS dazu in der Lage, ca. ein Drittel in dem ihm nicht genügend Glukose zur seines Energiebedarfs aus Ketonkörpern Verfügung steht, um ausreichend Enerzu decken. Niere und Herzmuskel sind gie über die Glykolyse zu gewinnen, auch große "Fans" der Ketonkörper, versucht die Leber dies durch verstärkte sie ziehen diese sogar der Glukose als Glukoneogene se auszugleichen. Das Energieträger vor. Oxalacetat wird nun vorwiegend in die Glukosesynthese gesteckt und fehlt dem Citratzyklus. Acetyl-CoA kann weniger im Citratzyklus verstoffwechselt werden und reichert sich in den Hepatozyten an. Zusätzlich führt der Kohlenhydratmangel zur Ankurbelung der Lipolyse, was ein erhöhtes Angebot an freien Fettsäuren, und somit einen weiteren Anstieg des Acetyl-CoA-Angebots zur Folge hat. Infolge der steigenden Acetyl-CoAKonzentration in der Leber, schaltet der ß-Hydroxybutyrat Hepatozyt auf Ketonkörpersynthese um.
70
I 71
Schritte der Ketonkörp erverwertu ng
Die Ketonkörper werden durch die Leber ins Blut abgegeben und so in die Peripherie transportiert, wo sie von den (energiebedürftigen} Zellen aufgenommen werden. Dort wird es durch die ß- Hydroxybutyrat-Dehydrogenase zu Acetacetat oxidiert, wobei aus NAD + NADH/ H+gebildet wird. Anschließend überträgt eine spezifische CoA-Transferase das Coenzym A von einem Succinyl-CoA auf das Acetacetat, das so zu Acetacetyl-CoA aktiviert wird. Durch eine Thiolase wird dieses in zwei Moleküle Acetyl-CoA gespalten, die nun in den Citratzyklus eingeschleust werden können (I Abb. 2}. I Abb. 2: Ketonkörperabbau
Rolle des Insulins
Verstärkt wird dieser Prozess dadurch, dass im Hungerzustand weniger Insulin sezerniert wird. Es herrscht sozusagen ein relativer InsulinmangeL Insulin hält normalerweise die Fette in ihren Speichern, so dass ein Mangel mit einer wiederum gesteigerten Lipolyse einhergeht, wodurch es noch mal zusätzlich zu einer Ankurbelung der Ketogenese kommt. Aus diesem Grund führt auch ein Diabetes mellitus mit absolutem oder relativem Insulinmangel zu einer starken Ketonkörpersynthese. Bei schwerem Insulinmange l kann die erhöhte Ketogenese zu Azidose führen , da die sauren Ketonkörper aufgrund des ausreichenden Glukoseangebots nicht verstoffwechselt werden und sich im Körper anreichern. Im Extremfall kann dies im ketoazidotischen Koma enden. Ketonkörp erverwertu ng
Fast alle Organe können Ketonkörper aus dem Blut aufnehmen und zur Energiegewinnung nutzen. Besonders wichtig ist dies für das Gehirn , das zur Energiegewinnung in Form von ATP normalerweise auf Glukose angewiesen ist. Es kann keine Fettsäuren verwerten, da diese die Blut-Hirn-Schranke nicht
Tramierase
,
Acetoacetat
- - - - - - - - . " . . . . . ; .·-.;:--- - - - - - • Acetoacetyi-C oA Succinyi-CoA (
\
Succinat CoA
Acetoacetyi-CoA -Synthetase
--- Thiolase
I
ATP. CoA
AMP, ® , ®
2 Acetyi-CoA
Zusammenfassung X Ketonkörper sind Energieträger, die v. a. im Hungerzustand (Giukosemangel, gesteigerte Lipolyse) und bei Insulinmangel (gesteigerte Lipolyse) von der Leber gebildet werden. Dies geschieht in Folge eines Anstiegs des Acetyi-CoA-Angebots in den Leberzellen. X Bei Diabetikern kann es zur Anreicherung der Ketonkörper kommen. Die Ketonkörper sind Säuren und können somit bei Anreicherung zu einer Ketoazidose führen.
ac Zu den Ketonkörpern zählt man j3-Hydroxybutyrat, Acetacetat und Aceton. Letzteres wird abgeatmet und ist für den starken Acetongeruch der Atemluft von juvenilen Diabetikern verantwortlich. X Alle Zellen außer den Hepatozyten und den Erythrozyten können Ketonkörper verwerten. X Bei Glukosemangel (z. B. im Hungerzustand) ist v.a. das Gehirn auf Ketonkörper angewiesen, da es nicht dazu in der Lage ist, Fettsäuren energiebringend zu verwerten.
Cholesterin Cholesterin (I Abb. I ) ist ein Alkohol aus der Klasse der Steroide mit der Summenformel C27 H450H. Der Körper eines Erwachsenen enthält ca. 150 g Cholesterin, von denen ca. 60% endogenen Ursprungs sind. Hauptsynthese· ortder Cholesterinbiosynthese ist die Leber, aber auch im Darm, in den Nebennieren und in den Gonaden wird ein Teil des Cholesterins synthetisiert. Die restlichen 40% des Gesamtcholesteringehalts nehmen wir über die Nahrung zu uns. Das Cholesterin liegt im Plasma zu 2/ 3 mit Fettsäuren verestert vor. Aufgrund seiner Hydrophobie müs· sen Cholesterin und seine Ester im Blut an Lipoproteine gebunden transportiert werden (s. Kap. 74).
Biosynthese
Cholesterin kann in jeder Körperzelle synthetisiert werden, wird aber haupt· sächlich in der Leber gebildet sowie in geringerem Maß in der Darmmukosa, den Nebennieren und den Gonaden. Bei der Synthese lagern sich 18 Mole· küle Acetyl-CoA zu 6 Isopren-Einheiten zusammen. Da die Cholesterinsynthese im Zytoplasma stattfindet, das AcetylCoAals Abbauprodukt des Glukose-, Fettsäuren· und Aminosäurenstoffwechsels aber hauptsächlich in den Mitochondrien entsteht, muss dieses zunächst über einen Acetyl-CoA-Carni· tin-Carrier über die Mitochondrienmembran ins Zytoplasma transportiert werden.
Funktionen Schritte der Biosynthese
Das Cholesterin nimmt unter anderem Funktionen als Strukturelement biolo· giseher Membranen und Gewebs- und Plasmalipoproteine, aber auch als Ausgangsstofffür verschiedene Substanzen, wahr. Die wichtigsten Aufgaben des Cholesterins sind: Als Bestandteil von Zellmembranen ist es an der Kontrolle von Membranstabilität und -fluidität beteiligt. IJi- Cholesterin ist die Ausgangssubstanz für die Synthese der Gallensäuren. IJi- Außerdem ist Cholesterin selbst in geringem Maße ein Bestandteil der IJi-
Gallenflüssigkeit.
Cholesterin ist Ausgangsstoff für die Steroidhormonsynthese und somit Voraussetzung für die Bildung von Glukokortikoiden, Mineralokortikoiden, Androgenen, Östrogenen und Gestagenen. IJi- Auch für die Bildung des Cholecal· ciferols (Vitamin 0 3 , s. auch Kap. 16) stellt Cholesterin die Synthesevorstufe dar. IJi-
HO I Abb. 1: Cho lesterin
IJi- Zunächst reagieren drei Moleküle Acetyl-CoA zu einem Molekül ß-HMG· CoA (ß-Hydroxy-Methyl-Glutaryl·CoA). Dies geschieht analog zur Bildung des HMG-CoA für die Ketonkörperbildung, jedoch mit einem Unterschied: Das HMG-CoA der Cholesterinbiosynthese entsteht im Zytosol (zytoplasmatische HMG-CoASynthase), während sich die Ketonkörperbildung im Mitochondrium abspielt (mitochondriale HMG-CoASynthase) . IJi- In der Schrittmacherreaktion der Cholesterinbiosynthese wird das zyto· plasmatische ß·HMG-CoA durch die HMG·CoA·Reduktase zu Mevalon· säure reduziert. Hierbei werden zwei NADPH/ H+verbraucht.
IJi- Anschließend wird die Mevalonsäure durch die Mevalonatkinase zu Mevalo· nat-5-Phosphat phosphoryliert, und nach einer weiteren Phosphorylierung durch die Mevalonat-5-P-Kinase entsteht das Mevalonat-5·Pyrophosphat. Für diese beiden Schritte werden insge· samt zwei ATP verbraucht. IJi- Im nächsten Schritt wird durch De-
carboxylierung und H2 0·Abspaltung aktives Isopren, das Isopentenyl-Pyrophosphat gebildet. Auch dieser Schritt verbraucht ein ATP. IJi- Nach Umwandlung von IsopentenylPyrophosphat zu Dimethylallyl·Pyrophosphat durch eine spezifische Isomerase, die den Wechsel der Doppelbindung katalysiert, folgen einige Kondensationen: - lsopentenyl-Pyrophosphat (= 1. Isopreneinheit) kondensiert mit Dimethylallyi·Pyrophosphat (= 2. Isopreneinheit) zu Geranyl·Pyrophosphat. - Geranyl·Pyrophosphat kondensiert mit einem weiteren Isopentenyl· Pyrophosphat (= 3. lsopreneinheit) zu Farnesyl-Pyrophosphat. -Zwei Moleküle Farnesyl-Pyrophosphat kondensieren zum Squalen. Damit benötigt man für die Synthese eines Squalen·Moleküls sechs Isopreneinheiten . IJi- Aus Squalen entsteht über die Zwischenstufe des Lanosterins nach Umlagerungen von Doppelbindungen Abspaltung dreier Methyl-Gruppen ' und einer Hydroxylierung am C3 -Atom das ringförmige Cholesterin. Zum besseren Verständnis sind die Reaktionen der Cholesterinbiosynthese in I Abbildung 2 noch einmal abgebildet. Bilanz
Für die Bildung von einem Mol HMGCoA (6 C) werden 3 Mol Acetyl-CoA (2 C) benötigt. Die Umwandlung von HMG-CoA in aktives Isopentenylpyrophosphat (5 C) verbraucht 2 Mol NADPH / H+, sowie 3 Mol ATP. 6 Mol Isopren kondensieren unter Verbrauch von I Mol NADPH/ H+zu Squalen, dessen Umwandlung in Cholesterin ein weiteres Mol NADPH / H+kostet.
Regulation
Die Regulationsstelle der Cholesterinbiosynthese ist die Reaktion der
Lipidstoffw echsel
3 Acetyi-CoA
Bildung von lsopentenyiPyrophosphat
2 NADPH + W
C2
Iß-HMG-CoA-Reduktase I OH
I
HOOC - CH2-9-CH2-CH 2 -0H
CH 3 Mevalonsäure C6
~I
Mevalonatkinase
I
72
I 73
HMG-CoA-Synthase gehören zu den enzymatisch interkonvertierbaren Enzymen (s. auch Kap. 14). Sie sind in der dephosphorylierten Form aktiv, während eine Phosphorylierung zu ihrer Inaktivierung führt Die Phosphorylierung geschieht bei Energiemangel über eine AMP-abhängige Proteinkinase. Also führen ein hoher AMP-Spiegel (bzw. niedriger ATP-Spiegel), aber auch der Einfluss von Glukagon zur Hemmung der Cholesterinbiosynthese, während ein hoher ATP-Spiegel und Insulin sie ankurbeln. Dies macht Sinn, da das Acetyi-CoA in Energiemangelsituationen so für die Energiegewinnung zur Verfügung steht
Mevalonat-5-P
!:d=i
IMevalonat-5-P-Kinase I
Mevalonat-5-P-P Mevalonat-5-P-P-Ki nase, Decarboxytase
,-------, C0 2 ,
IIsomerase I C5 Dimethytallyi-P-P -
P• H 2 C=r-CH 2 -CH 2 -0- P-P
CH 3 (isopentenyi-P-P) CS lsopentenyi-Diphosphatlaktives Isopren) r:l0::im-e-:thy-:la-lly-1-li::ra-ns-:fe-ra-se'l-' P,P
C10 Geranyi-P-P
IGeranyi-Transferase I P, P C15 Farnes~I-P-P NADPH +H ' Squaten-Synthetase
I
IKondensationen I
I
NADP•
Cholesterinausscheidung
Der menschliche Organismus ist nicht dazu in der Lage, Cholesterin abzubauen, also muss der Körper auf andere Möglichkeiten zurückgreifen, um es zu eliminieren. Der Hauptteil des Cholesterins wird in Form von Gallensäuren über die Gallenflüssigkeit in den Darm ausgeschieden, von denen allerdings fast 90%im Ileum rückresorbiert und wieder der Leber zugeführt werden (enterohepatischer Kreislauf). Auf diesem Wege eliminiert der Mensch täglich nur etwa 1 g Cholesterin mit den Faeces. Geringe Mengen an Cholesterin gehen außerdem durch Abschilferung von Haut und Darmepithelien verloren oder in sehr geringem Maße auch durch renale Eliminierung von Steroidhormonen und ihren Abbauprodukten.
( Squalen) C30
3CH3. ~
Wechsel einer Doppelbindung
Zusammenfassung X Der Steroidalkohol Cholesterin reguliert als Bestand-
HO
Cholesterin C27
I Abb. 2: Schritte der Cholesterinbiosynthese [6]
teil biologischer Membranen die Membranfluidität und ist außerdem Ausgangsstoff für die Biosynthese von Gallensäuren und Hormonen (Steroidhormone, 1-,25-Dihydroxycholecalciferol).
HMG-CoA-Reduktase. Diese kann auf verschiedenen Ebenen beeinflusst werden.
.,._ Mevalonsäure und Cholesterin hemmen die Aktivität HMG-CoA-Reduktase (Rückkoppelungshemmung). .,._ Ein niedriger Cholesterinspiegel führt zu einer Steigerung der Transkription- bzw. Translationsrate der HMG-CoAReduktase, während eine erhöhte Cholesterinkonzentration zu deren Hemmung führt .,._ Erhöhte Sterinkonzentrationen führen zu einer Änderung der Struktur der HMG-CoA-Reduktase, wodurch deren Abbau durch Proteasen erleichtert wird. .,._ Die HMG-CoA-Reduktase sowie die Zytoplasmatische
X Der Syntheseweg des Cholesterins aus 18 Acetyi-CoA findet im Zytoplasma vor allem der Hepatozyten statt und führt über die Zwischenstufen 13-HMG-CoA, lsopentenyi-Pyrophosphat und Squalen. X Das Schlüsselenzym der Synthese ist die HMG-CoAReduktase. Sie wird durch AMP (Energiemangel) und Glukagon gehemmt und durch Insulin aktiviert. X Der Hauptteil des Cholesterins wird in Form von Gallensäuren über die Gallenflüssigkeit ausgeschieden .
1proteine :_::::::.:: sind bekanntlich hydrophob, d. h. sie lösen sich sehr schlecht bzw. gar nicht in wässrigem Milieu. Trotzdem müssen einige Lipide, wie das Cholesterin, das in der Leber synthetisiert bzw. im Darm resorbiert wird, aber in allen Zellen benötigt wird, im Blut transportiert werden. Andere Lipide des Blutplasmas sind Phospholipide, Triacylglycerine (TAG) und freie Fettsäuren. Zum Transport im Blut müssen apolare und schwach polare Lipide an Proteine gebunden werden. So entstehen hydrophile Lipoproteinkomplexe, die sog. Lipoproteine.
Lipoproteine nennt man Zusammen· schlüsse von apolaren und amphiphilen Lipiden mit einem variablen ProteinanteiL Im groben Aufbau ähneln sich die verschiedenen Lipoproteine: Wäh· rend sich die apolaren Lipide eher im Zentrum zusammenlagern, bilden die Proteinanteile zusammen mit den amphiphilen Lipiden eine Hülle. Man unterscheidet insgesamt fünf Lipoproteine, die unterschiedlich zusammengesetzt sind und demnach auch spezifische Eigenschaften aufweisen. Die Proteinanteile der Lipoproteine nennt man Apolipoproteine. Von diesen sind bisher zehn verschiedene bekannt: A1, A2, A4, B48, B100, C1, C2, C3, D und E. Sie werden in der Leber und im Dünndarm gebildet und vermitteln die Löslichkeit von Lipoproteinen. Zudem dienen sie als Signalvermittler im LipoproteinstoffwechseL Die Lipoproteinklassen unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung, ihrem Bildungsort, ihrer Größe und ihrer Dich-
I
durch die Leber aufgenommen, und nach Modifikation als LDL in die Blutbahn abgegeben.
Die Lipoproteinklassen im Einzelnen
LDL sind die Lipoproteine mit dem höchsten Cholesterinanteil (45%). Sie entstehen in der Leber und in der Peripherie beim Abbau von VLDL und IDL und gelangen nach Bindung an spezi- ' fische LDL-Rezeptoren samt diesen per Endozytose in die peripheren Zellen. Das Erkennungssignal für den Rezeptor liefert hierbei das Apolipoprotein B-1 oo Die Anzahl der extrazellulären LDL-Re-· zeptoren wird durch die intrazelluläre Cholesterinkonzentration bestimmt. Bei hohem intrazellulärem Cholesteringehalt verhindert die Hemmung der LDL-Rezeptor-Synthese eine Überspeicherung von Cholesterin. In der Zelle wird das Cholesterin durch Iysosomale Lipasen aus LDL freigesetzt und der Rezeptor wandert in die Mem: bran zurück. Das Cholesterin kann nun entweder verwertet, oder durch die Acyl-CoACholesterol-Acyl-Transferase (ACAT) mit Fettsäuren verestert und als Cholesterinester gespeichert werden.
Chylomikronen
Allgemeines und Einteilung
Chylomikronen
te sowie in ihrer Wanderungsgeschwindigkeit in der Elektrophorese. Die Einteilung nach ihrer Dichte war ausschlaggebend für die Benennung der Lipoproteinklassen (I Tab. I).
Chylomikronen werden nach fettreichen Mahlzeiten in der Mukosa des Darms gebildet, und enthalten als Lipidanteil vorwiegend exogene Triacylglycerine (TAG) aus der Nahrung. Sie werden vom Darm über die Lymphe zur Blutbahn transportiert. Die extrazelluläre Lipoproteinlipase {LPL} vor allem des Fettgewebes baut die Triacylglycerine der Chylomikronen ab. Dadurch werden Fettsäuren frei, die vom Fettgewebe aufgenommen, oder an Albumin gebunden weitertransportiert werden. Übrig bleiben Restpartikel der Chylomikronen (= remnants), die von der Leber aufgenommen werden. VLDL (Very Low Density Lipoproteins)
VLDL werden in der Leber gebildet und transportieren endogen synthetisierte Triacylglycerine und Cholesterin in die Peripherie. Dort werden, wie bei den Chylomikronen auch, die Triacylglycerine durch die Lipoproteinlipase abgebaut, und aus VLDL wird IDL (intermediate density Iipoproteins) mit einem nun höheren relativen Cholesteringehalt Ein Teil der IDL wird durch die Lipoproteinlipase gleich intravasal zu LDL weiter abgebaut, der Rest wird
VLDL
LDL (Low Density Lipoproteins)
Das LDL gilt allgemein als das .schlech~e Cholesterin•, da es das Cholesterin aus der Leber in die Peripherie verteilt. Dies führt zur Cholesterinablagerung in den Gefäßwänden und somit zur Bildung artlt-i riosklerotischer Plaques.
HOL (High Density Lipoproteins)
Das phospholipidreiche HDL wird in Leber und Darm gebildet und hat mit
IDL
LDL
Leber
HOL
Bildungsorte
Darmschleimhaut
Leber
Peripherie und Leber aus VLDL
Peripherie und Leber aus VLDL und IDL
Größe
100-1000nm
30 - 70 nm
25-30 nm
15 - 25 nm
7,5 - 10 nm
Höchster Lipidanteil
Exogene Nahrungs-TAG
Endogene TAG
Cholesterinester
Cholesterinester
Cholesterinester
Apolipoproteine
A1,A2,A4,B48,C 1-3
B 100, C 1-3, E
B 100, C3, E
8100
A1, A2, C1-3, D, E
Proteinanteil
0,8-2,5%
8-12%
12 - 20%
20 - 24 %
40 - 60%
Mechanismus der
Durch die Lipoprotein-
Durch die LPL
Durch die LPL oder rezeptor-
Durch rezeptor-vermittelte Endozytose
Lipidabgabe
Lipase (LPL)
Elektrophoresefraktion
Keine Wanderung
vermittelte Endozytose Prä-p-Fraktion
Tab. 1: Lipoproteine und ihre Eigenschaften auf einen Blick
ß-Fraltion
ß-Fraktion
a 1-Frak tion
~~---------------------------------------------------~L~ip~id~s~t~o~ff~w~e~c~h~s~el
741 75
Darmmukosa
Muskel+ Fett I Abb. 1: Stoffwechselwege der Lipoproteine im Überblick
40- 60% den höchsten Proteingehalt aller Lipoproteine. Es transportiert Cholesterin aus der Peripherie in die Leber und dient als "Cholesterinfänger", da es dazu in der Lage ist, Cholesterin aus den peripheren Geweben und aus anderen Lipoproteinen aufz unehmen. Dieses wird im HD Lvorwiegend in veresterter Form transportiert. Die Veresterung des Cholesterins mit einer Fettsäure eines Phospholipids wird katalysiert durch die Lecithin-C holesterinAcyl-Transferase (LCAT) .
lipoproteinämien, auch primäre und sekundäre Formen: ~
Die häufige primäre Hyperlipoproteinämie ist eine hereditäre Erkrankung mit autosomalern Erbgang. Eine Sonderform ist die primäre Hypercholesterinämie, die mit erhöhten Cholesterinwerten einhergeht und eine familiäre Häufung aufweist. Als Ursache geht
man von Defekten in der LDL-RezeptorRegulation aus. ~ Sekundäre Hyperlipoproteinämien sind Begleiterscheinungen bzw.
Folge anderer Erkrankungen. Sie treten z. B. auf bei Diabetes mellitus, Adipositas oder Lebererkrankung. Man teilt die Hyperlipoproteinämien nach Fredrickson in sechs verschiedene Gruppen auf (I Tab. 2).
Typ
erhöhter Lipidanteil
lla (familiäre Hypercholesterinämie)
Arterioskleroserisiko
Häufigkelt
Chylomikronen
+
Sehr selten
LDL
+++
tO%
ll b (kombinierte Hyperlipidämie)
VLDL, LDL
+++
15%
111
VLDL, ß-Lipoproteine
++
5%
IV
VLDL
++
70%
V
Chylomikronen, VLDL
+
Selten
I Ta b. 2: Einteilung der Hyperlipoproteinämien nach Fredrickson
Der Weg der Lipoproteine lässt sich am Besten bildlich nachvollziehen. I Abbildung 1 bietet einen Überblick über den Stoffwechsel der Lipoproteine.
Hyperlipoproteinämien Hohe Lipoproteinkonzentrationen im Blutplasma gehen mit einem erhöhten Arterioskleroserisiko einher und sind daher im Klinikalltag von großer Bedeutung. Man unterscheidet neben den ernährungsbedingten, reaktiven Hyper-
Zusammenfassung X Lipoproteine sind Zusammenschlüsse von Lipiden mit verschiedenen Proteinanteilen, den sog. Apolipoproteinen. Sie stellen die Transportform der sonst unlöslichen Lipide im Blutplasma dar. X Man teilt die Lipoproteine ihrer Dichte nach in fünf Gruppen mit unterschiedlichen Eigenschaften ein: Chylomikronen, VLDL, IDL, LDL und HOL X Hyperlipoproteinämien gehen mit einem erhöhten Arterioskleroserisiko einher. Dieses kann bei den verschiedenen Formen (nach Fredrickson) stark abweichen.
Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion und Citratzyklus In den folgenden Kapiteln geht es um Energiegewinnung. Was aber ist genau mit Energie gemeint? In Kapitel 8 haben wir bereits über endotherme und exotherme Reaktionen gesprochen. Energie wird also für den Ablauf endergoner Reaktionen und anderer Prozesse des Körpers (aktiver Transport usw.) benötigt und durch die Spaltung energiereicher Verbindungen gewonnen. Der wichtigste Energielieferant im Körper ist das Nukleotid Adenosintriphosphat (ATP}, das zwei energiereiche Phosphoanhydrid- bzw. Säureanhydridbindungen enthält. Es stellt sozusagen die "Energiewährung" des Körpers dar. Davon zu unterscheiden sind die Energiespeicher, wie z. B. Glykogen oder das Fettgewebe, die bei Energieüberschuss angelegt werden und auf die im katabolen Zustand zurückgegriffen werden kann. Zusammengefasst kann man also Energiegewinnung mit ATPGewinnung gleichsetzen. Diese erreicht der Körper über den oxidativen Abbau unserer Nahrungsstoffe, welche sich im Wesentlichen aus Kohlenhydraten (Glukose), Fett- und Aminosäuren zusammensetzen. Die gemeinsame Endstrecke aller drei Stoffklassen ist der Citratzyklus. Pyruvat-Dehyd rogenaseReaktion
Ablauf
Die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat wird durch einen Multienzymkomplex mit drei verschiedenen Enyzmfunktionen, dem Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex, katalysiert. Dieser befindet sich in der mitochondrialen Matrix, daher muss zunächst das Pyruvat aus dem Zytosol durch einen PyruvatCarrier (Pyruvat/ OH-Antiport bzw. Pyruvat/H+-Symport) ins Mitochondrium transportiert werden. Dort fi ndet folgende Nettoreaktion statt: Pyruvat + CoA + NAD+-+ Acetyl· CoA + C02 + NADH + H+ Reaktionsschritte in Worten und die jeweils dazugehörige Enzymfunktion (I Abb. 1):
I. Oxidative Decarboxylierung des an TPP gebundenen Pyruvats: PyruvatDehydrogenase, E1; 11>- 2. Übertragung des dabei entstandenen Hydroxyethylrests auf Liponamid und dabei Oxidation zu einem Acetylrest: Pyruvat-Dehydrogenase, E1; 11>- 3. Transfer der Acetylgruppe auf Coenzym A: Dihydrolipoyl· Transacetylase, E2 ; 11>- 4. Regeneration des Cofaktors Liponamid durch Oxidation (FAD dient hier als Elektronenakzeptor und überträgt die Elektronen anschließend auf NAD+): Dihydrolipoyl-Dehydrogenase, E3• 11>-
delt werden kann. Die Weichen werden sozusagen in Richtung Endabbau oder Fettsäuresynthese gestellt. Regulationsmechanismen der Reaktion sind: 11>- Allosterische Endprodukthemmung durch Acetyl-CoA und NADH, 11>- Rückkoppelungsregulation: GTP hemmt, AMP aktiviert, 11>- Interkonvertierung: Inaktivierung durch Phosphorylierung durch die Pyruvat-Dehydrogenase- Kinase (:::: Bestandteil des Mulitenzymkomplexes; aktiviert durch Acetyl-CoA, NADH und ATP, gehemmt durch Pyruvat, CoA, NAD+und ADP) , Reaktivierung durch eine Ca2+.abhängige Phosphatase; 11>- Hormone: Aktivierung der PDH durch Katecholamine und Insulin.
Citratzyklus
Der Citratzyklus (= Zitronensäurezyklu s oder Tricarbonsäurezyklus) stellt die Verbindung zwischen Substratabbau und Zellatmung dar. Er verbindet dabei die Abbauwege von Kohlenhydraten Aminosäuren und Lipiden und hat ' gleichzeitig eine anabole Funktion ' da seine Zwischenstufen oft auch Biosyntheseverstufen sind. Er spielt damit eine zentrale Rolle im gesamten Stoffwechselkonstrukt Seine Hauptaufgabe besteht allerdings darin, Acetyl-CoA zu NADH/H+, FADH 2 und GTP abzubau e und dadurch in Zusammenarbeit mit n der Atmungskette Energieäquivalente in Form von ATP zu gewinnen.
Während der Abbau von Fett- und Aminosäuren direkt zur Bildung von Acetyl-CoA führt, entsteht durch die Für die Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion Glykolyse Pyruvat. Dieses wird entwerden fünf Coenzyme benötigt: Thlaminweder zu Laktat abgebaut (anaerobe Ablauf pyrophosphat (TPP), Uponamld, FAD und die stöchiometrischen Cofaktoren CoGlykolyse) oder in den Citratzyklus enzym A und NAD• Der Citratzyklus ist ein Kreisprozess eingeschleust und im weiteren Verlauf der acht Reaktionen beinhaltet. Er s~iel vollständig in C02 und H20 oxidiert, sich in den Mitochondrien ab und ist t was wesentlich mehr Energiefreisetzung Regulation direkt mit der Atmungskette gekoppelt zur Folge hat. Dafür muss das Pyruvat Um den Kreislauf aufrecht zu erhalten · allerdings erst durch die Pyruvat-Dehyd- Die Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion rogenase (PDH) zu Acetyl-CoA decarb· ist ein wichtiger, irreversibler Schritt· muss das Eingangsmolekül Oxalace~ macher im Kohlenhydratstoffwechsel, tat ständig regeneriert werden. Dies oxyliert werden. Pyruvat zu in der zweiten Phase des mehr nicht geschieht Acetyl-CoA da Bei Energieüberschuss wird das entzurückverwanGlukose zu damit und in der aus Succinat OxalCitratzyklus, standene Acetyl·CoA zur Biosynthese von Fettsäuren verwendet. Damit dient CoA 2eco2 die Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion 0 0 0 0 auch als Baustein-Lieferant für die FettH3c-~-coo- __')--P-.. H C-~ - _ _<) ---+-.. H3C-~ + ____,\~-.. HaC-~-S-CoA säuresynthese.
3
Pyruvat
I Abb. 1: Reaktionsschritte der Pyruvat-Dehydrogena se-Reaktion
Acetyi-CoA
Energiege winnung
acetatwiederhergestellt wird . Die ers· ten Schritte des Zyklus dienen dem Ab· bau des Acetyl·Restes von Acetyl·CoA zu zwei Molekülen C0 2• Die einzelnen Reaktionsschritte sind in I Abbildung 2 dargestellt.
CoA Acetyi-CoA
76
I 77
CCXT
I I -ooc-C-OH I CH2 I cooCH2
Citrat
Bilanz
Die Bilanzgleichung des Citratzyklus lautet: Acetyl·CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + P; + 2 HzO ~ 2 C02 + 3 NADH + H+ + FADH 2 + GTP + CoA Die Reduktionsäquivalente NADH/ H+ und FADH 2 werden anschließend der Atmungskette zugeführt und führen dort zur Bildung von ATP und gleich· zeitig zur Regeneration von NAD+und FAD, die nun wieder für den Citrat· zyklus zur Verfügung stehen. Das entstandene GTP ist mit einem Molekül ATP gleichzusetzen, da diese ohne Energieverlust durch die Nukleosiddiphosphat-Kinase (GTP + ADP ~ COP+ ATP) ineinander übergeführt werden können. Das C02 ist ein Abfallprodukt des Citratzyklus und wird abgeatmet. Da durch die Oxidation eines NADH/ W drei Moleküle ATP und durch die Oxidation eines FADH 2 zwei ATP entstehen, hat der Citrat-Zyklus eine hohe Energieausbeute von zwölf ATP pro Verbrennung eines Acetyl-CoAs.
coo-
I
cooMalat
1,.-,~
H20 ~
Succinat
I Abb. 2: Der Citratzyklu s
Hohe ADP-Konzentrationen zeigen dagegen einen Energiebedarf an und beschleunigen den Ablauf des Citratzyklus.
Der Citratzyklus wird im Wesentlichen über drei Schlüsselenzyme reguliert: ~ ~
co 2
a-Ketoglutarat
CH2
Regulation
~
+
l I
HO- C-H
Citratzyklus als Baustein-Lieferant
Wie schon erwähnt können einige Zwischenprodukte des Citratzyklus für die Biosynthese anderer Stoffe verwendet werden. Er liefert Grundbausteine für die Hämsynthese (Succinyl-CoA), die Glukoneogenese (Oxalacetat) sowie für die Fett- (Acetyl-CoA) und Aminosäuresynthese (Oxalacetat, a -Ketoglutarat).
Citrat-Synthase, Isocitrat-Dehydrogenase und a-Ketoglutarat·Dehydrogenase.
Zusammenfassung Insgesamt hängt ihre Aktivität hauptsächlich vom energetischen Zustand der Zelle ab. So deuten z. B. ATP, Citrat und NADH/ H+ darauf hin, dass in der Zelle genug Energie vorhanden ist, und die Schlüsselenzyme werden gehemmt.
X Die Pyruvat-Dehydrogenase ist ein irreversibles Schlüsselenzym im Kohlenhydratstoffwechsel. Aus Acetyi-CoA kann kein Pyruvat mehr entstehen, daher ist die Regulation dieses Enzyms von großer Bedeutung. X Der Citratzyklus Ist zentraler Drehpunkt des gesamten Stoffwechsels. Neben seiner Hauptaufgabe, der Energiegewinnung, führt er zur Bildung von Synthesevorstufen für verschiedene Stoffe. X Der Citratzyklus hat eine hohe Energieausbeute von insgesamt zwölf ATP pro Acetyi-CoA.
Atmungskette und ATP-Synthese Die Atmungskette, auch oxidative Phosphorylierung genannt, ist ein für die Energiebereitstellung sehr wichtiger Bereich des Stoffwechsels. Sie besteht aus vier Enzymkomplexen (I Abb. 1) und findet am Mitochondrium statt. Diese Proteine sind verantwortlich für die Übertragung von Elektronen und Protonen auf Sauerstoff, wobei Wasser entsteht. Dabei wird ein Protonengradient an der Mitochondrienmembran aufgebaut. Beim Ausgleich di eses Gradienten wird an der ATP-Synthase ATP aus ADP und Phosphat produziert. Aufbau der Atmungskette
1. Kompl ex: NADH-Ubic hinon-Oxi doredu kta se Der erste Proteinkomplex der Atmungskette ist die NADHUbichinon-Oxidoreduktase. Dieses Enzym befindet sich in der inneren Mitochondrienmembran. Hier findet die Übertragungzweier Elektronen sowie zweierProtonenvon NADH auf ei n Flavinmononukleotid (FMN) statt. Hierbei handelt es sich um eine prosthetische Gruppe des Enzymkomplexes. Nun werden die Elektronen und die Protonen über einen Zwischenschritt auf Ubichinon übertragen. Dieser Teil des Komplexes wird dadurch zu Ubichinol reduziert. Das für diese Reaktion benötigte NADH stammt aus der Glykolyse, dem Citratzyklus oder dem Abbau von Fettsäuren. Durch die Protonenübertragung am 1. Komplex der innere Mitochondrienmembran
Intermembranraum
NADH + H•
2H• +2e-
~
4W
4W
Atmungskette werden vier Protonen aus dem Innenraum des Mitochondriums in seinen Intermembranraum befördert. 2. Kom plex: Succ in at- Ubichinon-Redukta se Der zweite Komplex kann keine Protonen über die Mitochondrienmembran pumpen. Er ist dafür zuständig, im Citratzyklus (s. Kap. 76) entstandenes FADH 2 zu FAD zu oxidieren. Die Succinat-Dehydrogenase, die wir ebenfalls schon vom Citratzyklus her kennen, ist Bestandteil dieses Komplexes. Die Protonen des FADH 2 werden wiederum auf Ubichinon übertragen, das zu Ubichinol reduziert wird. 3. Komplex: Ubich inoi-Cytoch rom-cOxidoreduktase Der Vorgang an diesem Komplex wird auch als 0-Zyklus bezeichnet. Hier werden die zuvor aufs Ubichinol geladenen Elektronen an Cytochrom c weitergegeben. Die zwei Protonen, die das Ubichinol zuvor aufgenommen hatte, werden in den Intermembranraum gepumpt. Ubichinol (OH 2 ) wird bei diesem Vorgang wieder zu Ubichinon (0) oxidiert. 4. Komplex : Cytochrom-c-Oxidase An der Cytochrom-c-Oxidase findet die Übertragung der vorn Cytochrom c aufgenommenen Elektronen auf Sauerstoff statt. Der Sauerstoff nimmt zwei Elektronen sowie zwei Protonen auf und wird so zu Wasser reduziert. Die Protonen stammen aus dem Innenraum des Mitochondriums. Außer diesen beiden auf den Sauerstoff übertragenen Elektronen werden noch zwei weitere Protonen aus der Matrix des Mitochondriums in den Intermembranraum gepumpt. Bei diesen Reaktionsschritten entstehen zellschädliche Sauerstoffverbindungen, die mithilfe der Enzyme Superoxid-Dismutase und Katalase unschädlich gemacht werden.
Succinat a-G iycerophosphat Acyi-CoA Fumarat DHAP Enoyi-CoA
AlP-Synthese 111
zw
ze· Zytochrom b ) Zytochrom c 1 ( Fe-S
Zyt Cred
I - - --
Zyt Cox
- - 2H•
Das Enzym, an dem die Synthese von ATP stattfindet ' ist die ATP-Synthase. Durch Reaktionen, die von der ATP-Synthase katalysiert werden, wird aus ADP das energiereiche ATP hergestellt. ATP ist der wichtigste Bereitsteller von Energie in unserem Körper und wird in sehr vielen Vorgängen des Stoffwechsels benötigt. Wichtig hierfür ist der in der Atmungskette entstandene Protonengradient an der Mitochondrienmembran. Dieser Gradient verbindet Atmungskette und ATP-Synthese untrennbar miteinander, weshalb die ATP-Synthase auch als fünfter Komplex der Atmungskette bezeichnet wird . Aufbau der ATP-Synthase
I Abb . 1: Die Komp lexe der Atmungskette [2]
Das Enzym ist aus zwei Un tereinheiten aufgebaut, die man als F0 und F1 bezeichnet (I Abb. 2):
Energieg ewinnun g
IJI> F1: Dieser Teil der Synthase beinhaltet das katalytische Zentrum des Enzyms. Er ragt ins Innere der Mitochondrienmatrix und ist wiederum aus mehreren Untereinheiten aufgebaut. IJI> F0 : Diese Untereinheit sitzt in der inneren Mitochondrienmembran. Sie bildet einen Kanal, durch den die Protonen bei der Synthese fließen .
Mechanismus der Synthese
Die eigentliche Herstellung von ATP findet in der F1-Untereinheit der Synthase statt. Hier läuft folgende Reaktion ab: ADP+P1 ~
ATP
Hierfür wird Energie benötigt, die durch den Rückfluss der Protonen aus dem lntermembranraum des Mitochondriums in dessen Matrix gewonnen wird . Diese sind im Zwischenm em branraum an NADH + H+gebunden. Die Protonen fließen durch den Kanal der F0-Unterei nheit des Enzyms, wodurch die F1-Untereinheit in Rotation versetzt wird. Im lntermembranraum bleibt NAD+zurück. Bei einem Fluss von 20 Protonen entstehen auf diesem Weg etwa fünf ATP. Dieser Mechanismus funktioniert allerdings nur bei einer intakten Mitochondrienmembran. Hat diese ein "Loch", so fließen die Protonen nicht durch den Kanal der ATP-Synthase, sondern direkt zurück in den Innenraum , und es kann kein ATP synthetisiert werden.
sondern reguliert im gleichen Sinne den Citratzyklus. Hemmsto ffe der Atmungs kette IJI> Antimycin A: Dieses Antibiotikum hemmt den dritten Komplex der Atmungskette und somit die Übertragung von Elektronen von Ubichinol auf Cytochrom c. IJI> Kohlenmo noxid: Kohlenmonoxid hemmt im vierten Komplex die Reaktion mit Sauerstoff, indem es dessen Bindungsste lle blockiert. Der Protonengradi ent bricht in der Folge zusammen, und die Synthese von ATP wird unmöglich. IJI> Oligomyci n: Dieses Antibiotikum hemmt die ATP-Synthase und durch die Verbindung von Atmungskette und ATP-Synthese über den Protonengradienten auch die Atmungskette.
78
I 79
Entkoppler der Atmungs kette
Entkoppler der Atmungske tte, wie zum Beispiel Dinitrophenol, haben einen unkontrollierten Antrieb der Atmungskette zur Folge und somit den höchstmöglichen Sauerstoffverbrauch, allerdings ohne die Produktion von ATP. Sie verursachen einen Rückfluss der in der Atmungskette in den lntermembranraum gebrachten Protonen in die mitochondriale Matrix. Der Protonengradient kann nicht aufrechterhalten werden und somit auch kein ATP synthetisiert werden. Die Energie, die von der Atmungskette produziert wird, wird als Wärme abgegeben. Thermoge nin ist ein physiologischer Entkoppler der Atmungskette: Säuglinge (im braunen Fettgewebe) und auch Tiere nutzen diese Möglichkeit als zusätzliche Wärmequelle.
I Abb. 2: Aufbau der ATP-Synthase [2 ]
Zusammenfassung ac An den vier Komplexen der Atmungskette werden über mehrere Zwischen-
Regulation von Atmungs kette und ATP-Synthese
schritte Elektronen und Protonen von NADH und FADH 2 auf Sauerstoff übertragen. Es entsteht Wasser.
Die Synthese von ATP kann nur stattfinden, wenn genügend Produkte, also ADP, Phosphat, Sauerstoff und NADH + H+vorhanden sind. Kontrolliert wird die Synthese allerdings vom Spiegel des ADP.
ac Es werden Protonen aus dem Innenraum des Mitochondriums in dessen Intermembranraum gepumpt. Dadurch entsteht ein Protonengradient über der inneren Mitochondrienmembran.
ac Bei der Synthese von ATP an der ATP-Synthase fließen die Protonen durch einen Kanal des Enzyms zurück ins Innere des Mitochondriums. Die freiwerdene Energie wird für die Synthese von ATP aus ADP und Phosphat genutzt.
ac Der ADP-5piegel ist der wichtigste Regulationsmechanismus von Atmungskette und AlP-Synthese. Steigt er, wird Energie benötigt, und die beiden Prozesse laufen verstärkt ab.
ac Entkoppler führen zu Wärmebildung statt zur Synthese von ATP, indem sie Der ADP·Spiege l hat nicht nur Einfluss auf Atmungskette und ATP-Synthese,
den Protonengradienten zerstören. Dies nutzen Neugeborene im braunen Fettgewebe als Wärmequelle.
Grundlagen der interzellulären Kommunikation Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, wie Zellen untereinander Informationen austauschen können. Neben der elek· trisehen Übertragung, die meist sehr schnell abläuft, spielt der in den folgen· den Kapiteln behandelte, etwas langsa· mere, chemische Informationsaustausch eine wichtige Rolle. Formen der zellulären Signalübertragung ...,. Gap junctions: Diese Form der Signalübertragung findet sich oft zwi· sehen Zellen, die einer gemeinsamen Zellgruppe angehören (z. B. Erregungs· Ieitung in Myokardzellen). Hierbei kön· nen über einen schmalen Spalt zwi· sehen zwei benachbarten Zellen kleine Moleküle und damit auch Informati· onen ausgetauscht werden. ...,. Oberflächenproteine und Rezeptoren: Über Proteine, die in der Mem-
bran einer Zelle verankert sind, kann diese mit eng benachbarten Zellen, die den dazugehörigen Rezeptor tragen, Informationen austauschen. ...,. Signalmoleküle: Die Zelle, die ein Signal weitergeben will, produziert und sezerniert Moleküle, die auch über grö· ßere Entfernungen hinweg, z. B. über die Blutbahn, ihre Zielzellen erreichen und an deren Rezeptoren binden können. Solche Moleküle sind glanduläre (=klassische) Hormone wie z. B. Insulin oder Glukagon sowie Gewebshormone, Mediatoren, Interleukine und Neuro· transmitter. Sekretion und Wirkweisen von Signalmolekülen
...,. Bei der autokrinen Sekretion sind Erreger- und Zielzellen identisch, d. h. Zellen reagieren auf Substanzen, die sie selbst abgegeben haben. Diese Art von Sekretion wird häufig bei Tumoren beobachtet. Eigens produzierte Wachstumsfaktoren regen die Tumorzellen zur Proliferation an. ...,. Bei der parakrinen Sekretion han· delt es sich bei den kommunizierenden Zellen zwar um verschiedene Zellarten, diese befinden sich aber in unmittelbarer Nachbarschaft. ...,. Gibt die sezernierende Zelle ihr Hor-
mon an die Blutbahn ab, kann dieses weite Strecken zurücklegen, um sein Zielorgan zu erreichen. In diesem Fall spricht man von einer endokrinen Sekretion. Die klassischen Hormone wirken endokrin. ...,. Bei der neuroendokrinen Sekretion werden die Überträgerstoffe (z. B. Re· Ieasing-Hormone, Noradrenalin, Peptide) von spezialisierten Nervenzellen gebildet.
a endokrin
endokrines Gewebe
Signalmolekül
Die verschiedenen Sekretionsmechanis· men sind in I Abbildung I dargestellt. Zielzellen
Hormone werden entweder je nach Bedarf aus gespeicherten Vorstufen aktiviert und pulsatil abgegeben (z. B. lnsulin) oder kontinuierlich sezerniert (z. B. Steroidhormone).
Reaktion
Reaktion
b parakrin
~ Steuerzelle
Einteilung der Hormone nach ihrer chemischen Struktur
( -V
Signalmolekül
Zielzellen
...,. Peptidhormone: Die meisten klas-
sischen Hormone gehören zu dieser Gruppe. Peptidhormone sind allesamt hydrophil. ...,. Steroidhormone: Hormone, die die· ser Gruppe angehören (z. B. Kortisol, Kalzitriol, Geschlechtshormone), leiten sich vom Cholesterin ab, und besitzen ein Sterangerüst. Sie zählen zu den lipo· philen Hormonen und müssen deshalb zum Transport über das Blut an Transportproteine gebunden sein. Beispiele hierfür sind das Kortisol und die Geschlechtshormone. ...,. Aminosäure-Derivate: Hier entste· hen die Hormone durch chemische Veränderungen verschiedener Aminosäuren. Man kann zwei Gruppen un terscheiden: die lipophilen Schilddrüsenhormone und die übrigen AminosäureDerivate, die allesamt hydrophil sind. Hormonrezeptoren
Die Wirkung des Hormons an seiner Zielzelle wird über Rezeptoren vermittelt, die man in vier verschiedene Familien einteilen kann. Drei davon sind Oberflächenrezeptoren, bei der vierten sind die Rezeptoren im Inneren der Zelle lokalisiert.
Reaktion
Reaktion
c autokrin
Reaktion Reaktion
Reaktion
Steuerzelle
=:Ziel.zene
I Abb. 1: Sekretionsmechanismen [1 7[
G- Protein gekoppelte Membranrezeptoren
Durch die Bindung eines Signalmolek·· Mb . em ranrezeptor wird ein Uls an emen G-Pr?tein \G_uanin~ukleotid-bindenctes
Protem) akt1v1ert. Dieses befindet sich an der Innenseite der Membran unct bindet im inaktivierten Zustand GDp Wird es durch das Andocken eines u. no~ . mons oder emes anderen Signalmolekülsam Rezeptor aktiviert, kommt e im G·Protein zum Austausch von G~p zu GTP. Dies führt wiederum zur Akuvierung eines Enzyms (Adenylatcyc] Phospholipase C, etc.), das zur Bilduase,
ng
Hormon e und Zytokin e
eines second messengers angereg[ wird. Es gibt verschiedene Arten von second messengers, die unterschiedlichste Wirkungen auf die Zelle haben können. Die wichtigsten sind zyklisches AMP (cAMP), zyklisches GMP (cGMP). Diacylglycerol (DAG), Inositol·Triphos· phat (IP3) und Phosphatidyl·lnositol· Triphosphat (PIP3). Es gibt verschiedene G-Protein-Typen. I Abbildung 2 zeigt die Signalkaskaden der G,, G1· und Gq·Proteine am Beispiel der Katecholaminrezeptoren. Neben den Katecholaminen entfaltet z. B. auch das Glukagon seine Wirkung über die Aktivierung von G-Proteinen, aber auch an vielen anderen Prozessen (Sehvor· gang, Riechvorgang, Genexpression, Vesikeltransport usw.) sind G-Proteingekoppelte Rezeptoren beteiligt.
zu einer vermehrten oder verminderten Proteinbio synthese. Der Wirkungseintritt dauert hierbei länger als bei den Oberflächenrezeptoren, und die Wirkung hält über einen längeren Zeitraum an. Es gibt zwei Sorten von intrazellu· lären Rezeptoren:
Intrazelluläre Rezeptoren Lipophile Hormone (z. B. Steroidhor· mone, Schilddrüsenhormone) können die Zellmembran ungehindert passieren und an intrazellulär gelegenen Rezep· toren andocken. Die Wirkung der Hormone tritt dann auf DNA-Ebene ein, und zwar über eine Modulation der Genexpressionsrate. Dadurch kommt es
I 81
sind dort an Enhancer bzw. SilencerElemente der DNA gebunden, die die Expression der Gene hoch- oder runterregulieren (z. B. Trijodthyronin-, Estradiol-Rezeptor). Hydrophile Hormone wirken über Oberflächenrezeptoren und regulieren meist die AktiVität vorhandener Enzyme. Upop!llle Hormone wirken über intrazelluläre Rezeptoren und verindem in der Regel die Menge der Eozyme durch Gen-Induktion oder ·Repression.
~
Zytosolische Rezeptoren liegen im Zytosol und werden erst nach Hormonbindung in den Zellkern transportiert (z. B. Kortisol·Rezeptor). ~ Kernlokalisierte Rezeptor en befinden sich bereits im Zellkern und
Rezeptortyp
Enzymgekoppelte Membranrezeptoren Die Rezeptoren werden nach Bindung eines Hormons selbst katalytisch aktiv. Dadurch wird die Wirkung des außen an der Zelle gebundenen Hormons ins lnne· re der Zelle weitergeleitet. Das Paradebt:ispiel für enzymgekoppelte Rezeptoren ist der Insulinrezeptor, der über eine Tyrosinkinase-Aktivität verfügt (s. Kap. 94). Ligandengesteuerte Ionenkanäle Hier bilden die Oberflächenrezeptoren einen Teil eines lonenkanals. Bindet ein Ligand an einen solchen Rezeptor, wird ein Ionenkanal geöffnet, und es kommt zum Ein- bzw. Ausstrom von Ionen in bzw. aus der Zelle. Infolgedessen kommt es zu einer Depolarisation der Zelle, was alle möglichen Effekte nach sich ziehen kann. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist der nikotinische Acetylcholin-Rezeptor, der bei Aktivierung zur Öffnung eines Natriumkanals und zum Natriumeinstrom in die Zelle führt.
80
~
~
~
Gq
Gi
Ga
Ga
~
~
~
aktivierte G-Proteine
Effektoren
~
~
~
IP 3
cAMP
cAMP
~
Ca2+
~ Actin/MyosinWechselwirkung
j
Kontraktion
Hemmung der TransmitterFreisatzung
glatte Muskelzellen
Noradrenerge Neuronen
~
I
~ Ca2-+-Kanal
l
ca 2 •
!
l
Aktivierung der
Second messenger u. Signalkaskad en
Protein-Kinase A
l
Kontraktion
Stimulation der Glykogenolyse
Herzmuskel
Leber
zellphysiolog ische Effekte Zielgewebe
Abb. 2: Signalkaska den der G-Proteine am Beispiel der Ka techolaminr ezepto ren I 17]
Zusammenfassung • Hormone spielen eine wichtige Rolle bei der interzellulären Kommunikation. Sie beeinflussen den Stoffwechsel und die Reproduktion ihrer Zielzellen . • Zelluläre Signalübertragung kann über gap junctions, Oberflächenproteine oder Signalmoleküle erfolgen. • Bei den Sekretionsformen unterscheidet man autokrine, parakrine, endokrine und neuroendokrine Sekretion. Die ersten beiden Formen wirken lokal, die beiden anderen systemisch. • Hormonrezeptoren können sich entweder als Oberflächenrezeptoren außen an der Zellmembran befinden oder intrazellulär liegen. Bei den Membran rezeptoren unterscheidet man G-Protein gekoppelte, enzymgekoppelte oder lonenkanai-Rezeptoren.
othalamisch-hypophysäres System ---~~- ::~ Hormonsekretion dem jeweiilg.::n Bedarf des Körpers anzupassen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die wichtigste Rolle spielen hierbei Regelkreise, die für viele Hormone ähnlich ablaufen . Der bedeutendste Regelkreis ist das Hypothalamus-
Hypophysen-System.
In den neuroendokrinen Zellen des Hypothalamus werden sog. ReleasingHormone (CRH, TRH etc.) gebildet und über ihre Axone zur Hypophyse geleitet. Hier wirken die Releasing-Hormone, die auch Liberine genannt wer· den, auf den Hypophysenvorderlappen, wo sie die Zellen zur Sekretion weiterer Hormone stimulieren. Dies sind zum einen die glandotropen Hormone (TS H, ACTH usw.), die periphere Hormondrüsen zur Bildung und Ausschüt· tung von Effektorhormonen anregen, der Hypophysenvorderlappen produ· ziert aber zum anderen auch selbst Effektorhormone. Effektornonnone wirken direkt am Erfolgsorgan, glandotrope Honnone wirken an den peripheren Honnondrüsen und stimulieren diese zur Bildung und Sekretion von f ffektorhonnonen.
Die Regulation der Hormonausschüt· tung funktioniert im Wesentlichen über "negatives Feedback". Ist von einem Hormon im Körper ausreichend vorhanden, kann dessen weitere Produktion und Sekretion auf drei Ebenen gedrosselt werden: Glandotrope Hormone wirken hemmend auf den Hypothalamus, Effektorhormone hemmen sowohl den Hypothalamus als auch den Hypophysenvorderlappen. Dies führt zu einer verminderten Sekretion von Releasing· Hormonen sowie von glandotropen Hormonen (I Abb. I). Daneben werden im Hypothalamus Release-lnhibiting·Hormone (Statine) gebildet, die ebenfalls zu einer verrin· gertenSekretionglandulärer und Effektorhormone führen. Einflüsse auf den Hormonhaushalt können auch nervale Faktoren, wie z. B. Stress, haben. Durch psychische Belastung kann es so zu körperlichen Dysfunktionen kommen, beispielsweise zu Zyklusstörungen bei der Frau.
Hormone des Hypothalamus
Der Hypothalamus stellt eine Verbindung zwischen dem Nerven- und dem endokrinen System dar. Er empfängt neuronale Reize und passt über seine Releasing-Hormone die Hormonsekretion dem gegenwärtigen Bedarf an. Er ist somit wesentlich an der Aufrechterhaltung des Hormonhaushalts beteiligt. Dabei spielen vor allem zwei Kerngebiete des Hypothalamus eine Rolle: .". Parvizelluläres Kerngebiet: Hier werden die hypophyseotropen Releasing-Hormone und die Release- lnhibiting-Hormone gebildet. Sie wirken auf den Hypophysenvorderlappen und regulieren somit die Produktion und Ausschüttung zahlreicher Hormone.
3. 1nstanz
2. 1nstanz
1.1ns1anz
.". Magnozelluläres Kerngebiet:
Hier werden die Hormone ADH und Oxytocin gebildet. Sie werden im Hypophysenhinterlappen gespeichert und bei Bedarf freigegeben.
I Abb. 1: Hormonel ler Regelkreis [ 1]
Hormone der Hypophyse
Bei der Hypophyse kann man funktionell und entwicklungsgeschichtlich drei Teile unterscheiden:
Eine Übersicht über einige Hormone des Hypothalamus-Hypophysen -System s gibt I Tabelle 1. Somatotropin
.". Hypophysenvorderlappen (HVL, =Adenohypophyse): Hier werden die vier glandotropen Hormone ACTH,
TSH, LH und FSH gebildet, die bei der Regulation der Hormone der Nebennieren, der Schilddrüsenhormone und der Sexualhormone eine Rolle spielen. Außerdem produziert der HVL die Effektorhormone Somatotropin (STH) und Prolaktin. .". Hypophysenhinterlappen (HHL, = Neurohypophyse): Die Hormone
des HHL sind Oxytocin und antidiuretisches Hormon (ADH). .". Hypophysenmittellappen: Hier wird Melanozyten-stimulierendes Hormon (MSH) gebildet. ACTH und MSH entstehen, wie die Lipotroplne (p un~ y) und Endorphlne auch, durch limitierte Proteolyse aus dem Vorläuferpeptid Prooplomelanokortln (POMC).
Ist vom Wachstumshormon die Recte dann meint man damit das in den eo~i nophilen Zellen der Adenohypophyse gebildete Somatotropin, das auch son-. ··•atotropes Hormon (STH) oder im Englischen growth hormone (GH) genannt wird. Neben Somatotropin spielen außerdem die Schilddrüsenhormone, die den Energieumsatz regeln, und Androgene, die eine Eiweiß-aufba _ ende Wirkung haben, im Wachstums- u prozess eine Rolle. Bei Somatotropin handelt es sich um ein Peptidhormon, dessen Ausschüttu durch die Hypothalamus-Hormone ng Somatoliberin (oder GRH für growth hormone releasing hormone ) und Somatostatin gesteuert wird. Die Se.kretion erfolgt stoßweise und hängt m1t dem Lebensalter und weiteren Faktoren zusammen. Hoch ist sie z. B während der Pubertät, bei Hypoglyk- · ämie, Hunger, Stress oder im Schlaf.
Hormone und Zytokine
Release-lnhlblt ing-Hormone
I 83
Glandotrope Hormone
Endokrine Hormone
Hypothalamus
Hypophyse
Peripherie
CRH
ACTH (Adrenokortikot ropes Hormon)
Glukokortikoid e (v.a . Korti sol), Mineralkortiko ide (v. a. Aldosteron)
TSH (Th yroidea-stimulierendes Hormon)
T3 (Trijodthyronin) , T4 (Thyroxin)
Schilddrü se
FSH (Follikel-stimulierendes Hormon)
Östrogene
Ovarien, Graaf-Follikel, Corpus luteum, NNR
Gestagene
Ovarien, Corpus luteum , NNR
Androgene
Hoden, Leydig-Zellen, NNR
(Kortikotropin-RH ) TRH (Thyreotropin-RH)
Somatostatin
GnRH (Gonadotropin-RHJ
-
- -- - - - - - LH (luteinisierendes Hormon) ln hibin (aus Sertoli-Zellen des Hodens)
I
82
Endokrine Drüse
Nebennierenrinde (NNR)
Tab. 1: Hormone des Hypoth alamu s- Hypop hyse n-System s
Somatotrop in wirkt einerseits selbst als Effektorhormon, seine Hauptwirkung entfaltet es aber über die Steigerung der Produktion von Somatomedinen, di e v. a. in der Leber (aber auch in Knochen und anderen Geweben) gebildet werden. Somatomedine heißen auch insuline like growth factors (IGFs), weil sie in ihrer Struktur dem Insulin sehr ähneln und über ähnliche Rezeptoren mit Tyrosink.inase-Aktivität wirken. ..,.. Eigene Wirkungen des STHs sind eine Steigerung der Proteinsynthese, die Aufnahme von Aminosäuren und Insulin in die Zellen (= Insulin-synergistische Wirkung), Mobilisierung energiereicher Substanzen durch gesteigerte Glukoneogenese und Abgabe von Glukose ins Blut (= Insulin-antagonistische Wirkung) sowie die Steigerung der Lipolyse . ..,.. Somatomedine, v. a. IGF-1, aber auch IGF-2, das hauptsächlich beim intrauterinen Wachstum eine Rolle spielt, steigern die Proteinbiosynthese in den Wachstumsfugen der Knochen und führen somit zum Längenwachstum der Knochen.
Antidiure tisches Hormon
Das antidiuretische Hormon (= ADH, auch Vasopressin oder Adiuretin genannt) wird im Hypothalamus gebildet und über axonalen Transport zur Speicherung an die Neurohypophyse transportiert. Die Wirkungen erfolgen im Wesentlichen über zwei Rezeptortypen: ..,.. VI-Rezeptoren an den glatten Muskelzellen und ..,.. V2-Rezeptoren an den Sammelrohren der Niere (das V leitet sich von dem älteren Ausdruck Vasopressin ab).
Adiuretin wirkt regulatorisch auf die Plasmaosmolalität, indem es die renale
Wasserausscheidung hemmt. Eine zweite Hauptwirkung entfaltet es an den glatten Muskelzellen der Gefäße, wodurch es zur Kreislaufregulation beiträgt. Diese Wirkung tritt erst bei hohen Konzentrationen von ADH auf, es führt daher erst bei ausgeprägter Hypotonie und Hypovoiämie zu einer Vasokonstriktion. Oxytocin und Prolaktin spielen bei der Milchproduktion und beim Geburtsvorgang eine wichtige Rolle. Oxytocin löst während der Geburt Kontraktionen des Uterus aus und erleichtert beim Stillen das Ausstoßen der Milch. Prolaktin bereitet die Brust auf die Milchproduktion vor und fördert diese während der Stillperiode.
Zusammenfassung ac Das Hypothalamus-Hypophysen-System steuert viele Hormone. Die Regulation geschieht über Releasing-Hormone des Hypothalamus. Diese wirken auf die Hypophyse, die mit einer erhöhten oder erniedrigten Bildung von glandotropen Hormonen reagiert. So kann die Hormonsekretion der peripheren Hormondrüsen gesteigert werden. • Zu den glandotropen Hormonen zählen: ACTH, TSH, LH und FSH. • Über "negatives Feedback" hemmen Hormone ihre eigene Produktion. • Somatotropin ist ein wichtiges Wachstumshormon, das bei Hypophysendysfunktionen zu Akromegalie, Riesenwuchs oder Zwergenwuchs führen kann. • ADH reguliert Kreislauffunktionen durch Vasekonstriktion und die Plasmaosmolalität durch Steigerung der Wasserretention.
__; ~ /lilddrüsenhormone I Abb. 1· Die Strukturformeln von (a) Triiodthyronin und (b) Tetraiodthyronin ~ Thyroxin
Die Schilddrüse stellt zwei verschiedene Hormone her, die Derivate der Aminosäure Tyrosin sind (I Abb. 1): ..,. Triiodthyronin (T3 ), lll> Tetraiodthyronin, auch Thyroxin genannt (T4 ).
Diese beiden Hormone spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation vieler Prozesse in unserem Körper. Ein Mangel Freisetzung, Transport führt zur Verlangsamung vieler Vorgänder ge, wie zum Beispiel des Fettabbaus, und Regulation Wärmeregulierung oder des SauerstoffFreisetzung verbrauchs. In der Wachstumsphase Stimuliert wird die Freisetzung der Horkann ein Mangel sogar zu irreversiblen Schäden führen. Eine Schilddrüsenüber- mone durch TSH (Thyreoidea-stimuliefunktion hingegen hat Schlafstörungen, rendes Hormon), das aus der Hypophyse Unruhe, Herzrhythmusstörungen, Wär- stammt (s. Kap. 82). Es kommt zu einer Proteolyse des Thyreoglobulins. Die frei meintoleranz und noch andere Folgen. werdenden MIT und D!Twerden dejodiert und T3 und T4 ins Blut sezerniert. Synthese von Thyroxin und Das bei der Dejodierung entstandene Triiodthyronin Iod kann nun wieder zur Synthese von neuen Hormonen genutzt werden. Die Synthese der beiden Hormone findet in den Follikelepithelzellen der Schilddrüse statt (I Abb. 2). Diese enthalten ein Sekret, das sogenannte Kolloid, das zum Großteil aus Thyreoglobulin besteht, einer Substanz mit mehreren Tyrosylresten. lll> Der erste Schritt ist die Aufnahme von Iodid über eine Na+-I--ATPase in die Follikelzelle. Hier wird das Iodid nun durch eine Peroxidase zu Iod oxidiert. lll> Ebenfalls mittels der Peroxidase findet im nächsten Schritt eine Iodierung von Tyrosylresten des Thyreoglobulins statt. Es entstehen Monoiodtyrosin (MIT) und Diiodtyrosin (DITJ.
Diese Verbindungen können sich nun auf zwei unterschiedliche Arten miteinander verknüpfen: lll> Bei der Kombination von einem MIT mit einem DIT wird unter Bildung einer Etherbindung ein Serylrest abgespalten. Es entsteht ein Triiodthyronylrest. Dies ist die Speicherform des späteren T3 . lll> Verknüpfen sich zwei DIT-Reste miteinander, so entsteht ein Tetraiodthyronylrest, die Speicherform von Thyroxin.
Regulation
Synthese und Freisetzung der Schilddrüsenhormone werden in erster Linie durch Hypothalamus und Hypophyse gesteuert. Der Hypothalamus als Steuerzentrum im Gehirn erhält Informationen aus dem Körper und bildet TRH (Thyrotropin-Releasing-Hormone). Dieses gelangt über axonalen Transport zum Hypophysenvorderlappen und bewirkt dort die Freisetzung von TSH. An der Schilddrüse bindet TSH nun an TSH-Rezeptoren, was eine Iodaufnahm e in die Follikelzellen auslöst. neuvon Biosynthese die Dies aktiviert en Schilddrüsenhormonen, außerdem stimuliert es die Sekretion von bereits gebildetem T3 und 1 4• Über einen Rückkopplungsmechanismus reguliert auch die Konzentration der freien Hormone im Blut die Freisetzung von TRH und TSH in Hypothalamus und der Hypophyse (I Abb. 3).
I Abb 2: Synthese von T3 und T
H
HO-o-~ ~-@
4
Tyrosin
I
-
H
y ~2 Ho-{)-b-® HO-P-b-® I
I
-
I
-
H
I
H
I Monoiodtyrosin (MIT)
~
+
Diiodtyrosin (DIT)
/ Hy~~ -i-® I
I
I Triiodtyrosin (T 3)
~
+
DIT
Hormone und Zytokine
84185
:=J--
1---- Hemmung
Hypothalamu s: TRH
1
I Abb. 3: Regulation der Schilddrüsenhormone
T3 + T4
Vorderlappe n der Hypophyse: TSH
Schilddrüse: T 3 + T 4
Wirkung
Übers Blut wird T3 nun in die Zielzelle transportiert und gelangt dort in den Zellkern, wo es an den zugehörigen Hormonrezeptor bindet und die Genexpression von Enzymen beeinflusst. Schilddrüsenhormone bewirken Veränderungen im ganzen Organismus: .,.. Erhöhung des Grundumsatzes (Sauerstoffverbrauch, Energiegewinnung, Wärmeproduktion), .,.. Erhöhung der Blutglukose durch Steigerung der Glukoneogenese und der Glykogenolyse, .,.. Fettabbau, der als Folge einen erhöhten Fettsäurespiegel im Blut hat,
.,.. Durch Stimulation der 5THSekretion kommt es zu Wachstum, .,.. Steigerung der Herzfrequenz durch Erhöhung der Adrenalinwirkung, .,.. Steigerung der Proteinsynthese, .,.. Cholesterin: Steigerung sowohl von Synthese als auch von Abbau, insgesamt sinkt der Cholesterinspiegel, .,.. Sehr wichtig für die Gehirnentwicklung und das Wachstum bei Kindern. Klinische Bezüge
Iodmangel Für eine normale Schilddrüsenfunktion sollte der Mensch pro Tag 150-300 ng Iodid aufnehmen. In vielen Gegenden der Welt herrscht jedoch Iod mange!. Dieser hat eine verminderte Hormonsynthese zur Folge. Über die Rückkopplungsregulation steigt der TSH-Spiegel. Die Schilddrüse wächst, es entsteht ein Struma (Kropf).
Hyperthyreose Ein Überschuss an Schilddrüsenhormonen hat verschiedene Folgen, unter anderem innere Unruhe, Tremor, Wärmeintoleranz, Gewichtsverlust trotz Heißhungers, Tachykardie, verstärktes Schwitzen und Schlafstörungen. Ursache für eine Schilddrüsenüberfunktion ist zum Beispiel der Morbus Basedow. Bei dieser Autoimmunerkrankung werden Antikörper gegen den TSHRezeptor gebildet, was dazu führt, dass die Rezeptoren ständig aktiviert sind. Es kommt zu einer unkontrollierten Stimulation der Hormonproduktion. Hypothyreose Eine Schilddrüsenunterfunktion ist vor allem bei Kindern sehr gefährlich, da das Wachstum sowie die geistige Entwicklung beeinträchtigt werden . Einige sonstige Symptome sind Müdigkeit, Leistungsabfall, Gewichtszunahme durch den verminderten Grundumsatz, Bradykardie sowie Hypotonie.
Zusammenfassung X Die beiden Hormone der Schilddrüse, Triiodthyronin und Thyroxin spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation vieler Stoffwechselprozesse in unserem Körper. X Die Synthese der Hormone findet in den Zellen der Schilddrüse statt. Wichtigste Ausgangsprodukte sind Thyreoglobulin und Iod. Das zentrale Enzym ist die Peroxidase. X Der Transport findet zum größten Teil gebunden an TBG statt. ln freier Form sind die Hormone biologisch aktiv, wobei T4 zu T3 umgewandelt wird. X Schilddrüsenüber- und unterfunktion sind häufig gesehene Krankheitsbilder. Bei einer Überfunktion werden viele Prozesse im Körper beschleunigt. Eine Unterfunktion hingegen hat eine Verlangsamung zur Folge.
ulation des Kalzium- und Phosphathaushalts .- -.
. .= _ _,m
(C a z+)
Kalzium ist ein Elektrolyt, das im Körper zu 99% im Knochen gespeichert vorliegt. Der Rest befindet sich vor· wiegend extrazellulär. Der Serum· Kalzium-Gehalt liegt im Normalfall bei 2, I-2,6 mmol/1, wovon ca. 50 %an Proteine gebunden sind und 50% in ihrer freien, aktiven Form vorliegen. Als Hydroxylapatit (Ca 10 (P0 4 ) 6 (0Hb) lagert sich Kalzium im Knochen ein und sorgt dort für ausreichende Mineralisa· tion und Stabilität. Außerdem ist es an der Aktivierung von Gerinnungsfak· toren, an Signaltransduktionsprozessen sowie an der Muskelkontraktion [durch Bindung an Troponin) beteiligt. Ausge· schieden wird Ca 2• vorwiegend über den Darm.
Auch Phosphat ist im Hydroxylapatit des Knochens enthalten. Neben der Knochenmineralisation dient Phosphat der Enzymregulation durch Phosphory· lierung und fungiert außerdem als second messenger (in Form von cAMP), als "Energiewährung" ATP, als Phos· phat-Puffer und als Bestandteil vieler anderer Moleküle. Phosphat wird hauptsächlich über die Nieren ausge· schieden. Regulationsmechanismen
ziumspiegel abhängig und wird gesteu· ert über einen Gi·Protein-gekoppelten Rezeptor, der bei Erhöhung des Serum· Kalziums die Sekretion hemmt. Seine Wirkung entfaltet das Parathor· man über G,-Protein·gekoppelte Rezeptoren, die die Adenylatzyklase aktivieren. Dies geschieht an drei Organen:
besteht aus 32 Aminosäuren und wird nach seinem Bildungsort auch Thyreokalzitonin genannt. Es wirkt wie Parathormon über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren , führt aber zu einer Erniedrigung des Ca 2+·Spiegels. Dies wird erreicht durch eine Hemmung der Kalzium-Freisetzung aus dem Knochen ' durch Förderung von Knochenanbauprozessen durch die Osteoblasten, sowie durch eine Erhöhung der Ca2+. Ausscheidung über die Nieren. Im Darm kommt es durch Hemmung von Motilität und Verdauungsenzymsekretion zu einer verlangsamten KalziumResorption.
~ Skelettsystem: Parathormon führt zu einer Mobilisierung von Ca 2+ aus dem Knochen. Die Rezeptoren dafür befinden sich jedoch nicht an Osteoklas· ten, die Knochensubstanz abbauen, sondern an Osteoblasten, die normalerwei· se für den Knochenaufbau zuständig sind. Diese aktivieren aber wiederum mittels Ausschüttung von Interleukin·I 1, 2 5-Di hydroxycholecalciferol die Osteoklasten, was Knochenabbau (= Kalzitriol) mit Ca 2 •-Freisetzung zur Folge hat. ~ Nie re : In der Niere kommt es durch Kalzitriolleitet sich zwar von Vitamin D PTH zu einer verstärkten Phosphat· und ab und wird deswegen oft zu den einer verminderten Kalzium-AusscheiVitaminen gezählt, man tendiert aber dung. Außerdem erhöht es durch ver· immer mehr dazu, es aufgrund seiner stärkte Hydroxylierung die Syntheserate Funktionen und seiner Struktur (Ähndes biologisch aktiven I ,25-Dihydroxy· lichkeit mit Steroidhormonen) wie ein cholecalciferols aus 25-Hydroxychole· Hormon zu behandeln. Seine Biosynthecalciferol. se erfolgt in verschiedenen Organen: ~ Darm: Hier steigert Parathormon Das in der Leber aus Cholesterin gebi}. dete 7-Dehydrocholesterol (Enzym :::: die Ca2 +·Resorption in der Dünndarmmukosa. Cholesterin·Dehydrogenase) wird nach Transport in die Haut in einer W-Uchtabhängigen Reaktion in Cholecalciferol Kalzitonin umgewandelt. Bei dieser Reaktion Wird Kalzitonin wird von den C-Zellen der das Sterangerüst des DehydrocholesteSchilddrüse gebildet und bei erhöhten rols gespalten. Anschließend wird das Kalzi umwerten sezerniert. Das Peptid entstandene Cholecalciferol durch
Die Regulierung des Kalzium· und Phosphathaushalts wird im Wesentlichen von zwei Hormonen bewerkstelligt: von Parathormon und Kalzitonin. Ein dritter Mitstreiter in der Regulation ist I ,25-Dihydroxycholecalciferol, das sich von Vitamin D ableitet. Parathormon
Parathormon (PTH) ist ein Protein, das aus 84 Aminosäuren besteht und in den Zellen der Nebenschilddrüse (Glandula parathyreoidea) aus einer längeren Vorstufe, dem Präpro-PTH, synthetisiert wird. Dies geschieht durch Abspaltung des Signalpeptids und eines weiteren Peptids. Die Freisetzung von Parathormon aus den Sekretgranula ist vom Kai·
Parathyrin Kalzitonin Ca2•.Manget HPO/- ·Mangel
I Abb . 1: Biosynthese von Kalzitrial [ 18]
/
.L------------------------------------------------~H~o~r~m~o~n~e~u~n~d~Z~y~t~o~k~in~e Hydroxylierungen in Leber und Niere in das aktive 1,25-Dihydroxycholecalciferol überführt. Die Schritte der Biosynthese sind in I Abbildung 1 dargestellt. Die Wirkungen von Kalzitrial auf den Kalziumhaushalt sind die Erhöhung der Kalzium- und Phosphat-Resorption im Darm und eine Mineralisierung der Knochen durch Einbau von Kalzi um und Phosphat. An den Nieren führt Kalzitrial in Anwesenheit von Parathormon zu einer Hemmung der renalen Ca2 +- und Phosphatausscheidung. Sein Wirkmechanismus entspricht dem der Steroidhormone: Seine Rezeptoren sind im Zellkern lokalisiert und bewirken eine Modulation der Transkriptionsrate bestimmter Gene. Auf diesem Weg hat Kalzitrial neben seinen Ca 2+-regulierenden Eigenschaften auch Einfluss auf Wachstum, Zelldifferenzierung und Karzinogenese.
Psychosen, Bewusstseinstörungen oder eine Muskelschwäche auf. Am Herzen führen erhöhte Ca 2+-Werte zur OT-ZeitVerkürzung. Weitere Symptome können Hypertonie, Obstipation und Ileus sowie Gewebsverkalkungen sein. ~ Hypokalziämie: Eine Hypokalziämie liegt vor, wenn das Serum-Kalzium unter 2, I mmol/1fällt. Dies führt zu einer erhöhten neuromuskulären Erregbarkeit mit Muskelspasmen, Krämpfen, Tetanie und Diarrhö. Aufgrund der verminderten Kontraktilität kommt es am kardiovaskulären System zu einer QT-Verlängerung, Herzrhythmusstörungen, Hypotonie, bis hin zur Herzinsuffizienz. Die erhöhte Erregbarkeit kommt da· durch zustande, dass die erhöhte extra· zelluläre Ca 2+-Konzentration zu einer Abnahme der Na+-Permeabilität der Membranen führt.
Hyperparathyreoidismus/ Hypoparathyreoidismus
Pathobiochemie Hyperkalziämie/ Hypokalziämie Der Serum-Kalzium-Spiegel wird streng kontrolliert, da schon geringe Abweichungen große Auswirkungen auf den Organismus haben.
l
~ Hyperkalziämie: Bei Serumwerten von > 2,6 mmol/1 spricht man von einer Hyperkalziämie, die zu schweren Störungen führen kann und dann zwingend behandlungsbedürftig ist. Eine hyperkalziämische Krise stellt einen internistischen Notfall dar. Die Symptome sind vielfältig: An den Nieren kann es zu Kalziumphosphatablagerungen kommen, die zu Nephrokalzinose, Nephrolithiasis und im schlimmsten Fall zu einer Niereninsuffizienz führen. Durch Störungen des Membranpotenzials treten neuromuskuläre und neurologisch-psychiatrische Störungen wie Verwi rrtheit,
~ Ein Hyperparathyreoidismus führt zur Knochen-Demineralisierung, infolge derer vermehrt Knochenbrüche auftre· ten. Man unterscheidet den primären Hyperparathyreoidismus aufgrund einer Überfunktion der Nebenschilddrüse von der sekundären Form: -Ursache für den primären Hyperparathyreoidismus können hormonproduzierende Adenome oder auch diffuse Hyperplasien sein. Der Ca 2+Spiegel ist hierbei immer erhöht. -Bei der sekundären Form wird irrfolge eines Kalzium-Mangels, beispielsweise ausgelöst durch eine Nierenin·
86 I 87
suffizienz mit daraus resultierendem Mangel an Dihydroxycholecalciferol, mehr Parathormon produziert. Das Kalzium ist in dem Fall meist erniedrigt oder normal. ~ Ein Hypoparathyreoidismus ent· steht bei versehentlicher Entfernung der Nebenschilddrüse, z. B. bei einer Schild· drüsenoperation. Dies hat eine Hypokalziämie mit oben genannten Symptomen zur Folge.
Ra eh itis /Osteomalazie Ein Mangel an Kalzitrial kann durch Resorptionsstörungen, Hydroxylierungsstörungen bei Lebererkrankungen oder Niereninsuffizienz oder durch mangelnde UV-Bestrahlung entstehen. Im Kindesalter führt eine chronische Unterversorgung zum Krankheitsbild der Rachitis, die durch fehlende Knochenmineralisierung und Auftreten von Skelettdeformitäten [I Abb. 2) gekennzeichnet ist. Zur Knochenerweichung und damit verbundenen Skelettveränderungen führt ein Kalzitrial-Mangel beim Erwachsenen. Man nennt das Krankheitsbild dann Osteomalazie.
I Abb. 2: Rosenkranzphänomen bei Rachitis [ 11)
Zusammenfassung • Kalzium und Phosphat sind Elektrolyte, die v.a. in Form von Hydroxylapatit im Knochen vorliegen.
a Das Kalzium muss streng reguliert werden, da Abweichungen vom Normbereich (2, 1-2,6 mmol/1) für den Menschen sehr gefährlich werden können. Sie führen v. a. zu neuromuskulären und psychiatrischen Symptomen und zu EKG-Veränderungen. • Die Regulation des Kalzium- und Phosphathaushalts erfolgt über Parathormon, Kalzltonin und Kalzitriol ( 1,25-Dihydroxycholecalclferol). Kalzitriol und Parathormon führen zu einer Erhöhung des Serum-Kalziums, während Kalzitonin dessen Konzentration senkt.
~=:o rmone
des Nebennierenmarks: Adrenalin und Noradrenalin
Die beiden Hormone Adrenalin und Noradrenali n sind chemisch Abkömmlinge des Katechols (I ,2-Dihydroxybenzol), weshalb sie auch Katecholamine genannt werden . Zu den Katecholaminen zählt weiterhin Dopamin, das im zentralen Nervensystem (ZNS) als Neurotransmitter dient. Adrenalin und Noradrenalin werden vorwiegend in Stresssituationen und bei körperlicher Anstrengung sezerniert. Hier führt v. a. Adrenalin zur schnellen Mobilisierung gespeicherter Substrate und versetzt den Körper in eine Art Alarmbereitschaft ("fight and run"-Reaktion). Noradrenalin hat neben seiner Wirkung als Stresshormon auch eine Funktion als Neurotransmitter_
..,. Dopamin ~ Noradrenalin: Diese Reaktion wird von der ß-Hydroxylase katalysiert. Für die Hydroxylierung der Seitenkette des Dopamins wird zusätzlich Vitamin C (Ascorbinsäu re) benötigt. ..,. Noradrenalin ~ Adrenalin: Als letzter Schritt erfolgt die Methylierung von Noradrenalin zu Adrenalin durch die (Noradrenalin·)N·Methyltransferase. Als Methylgruppenüberträger dient S-Adenosylmethionin (SAM). Die einzelnen Syntheseschritte mit Strukturformeln sind in I Abbildung 1 dargestellt.
Sekretion und Regulation Biosynthese und Sekretion der Katecholamine
Die Synthese der Katecholamine erfolgt in den chromaffinen Zellen des Nebennierenmarks aus der Aminosäure Tyrosin. Hier werden sie in Granula gespeichert und als Reaktion auf neuronale Impulse des Sympathikus sezerniert. In geringen Mengen wird Adrenalin, v. a. aber auch Norad renalin, zusätz· lieh im ZNS gebildet. Syntheseschritte
Die Biosynthese des Adrenalins aus Tyrosin erfolgt in vier Schritten über die Bildung von L-Dopa, Dopamin und Noradrenalin. Schlüsselenzym der Katecholaminbiosynthese ist die Tyrosinhydroxylase, die den ersten Schritt katalysiert: ..,. Tyrosin ~ L-Dopa: Die katalysierende Tyrosinhydroxylase benötigt neben molekularem Sauerstoff auch das Cosubstrat Tetrahydrobiopterin (THB} . ..,. L-Dopa ~ Dopamin: L-Dopa wird durch die (aromatische) L-Arninosäure-Decarboxylase zum biogenen Amin Dopamin decarboxyliert. Dopamin kann nun seine Funktion als Neurotransmitter aufnehmen (z. B_ in der Substantia nigra des Mittelhirns) oder "weiterverarbeitet" werden.
I H2N-C- H I ~ NAgfH/
\__ J .
TyrosinHydroxyl ase OH Tyrosin
~~
Adrenalin und Noradrenalin wirken über verschiedene Rezeptoren, di e unterschiedliche Funktionsweisen und Wirkungen haben und eine spezifische Organverteilung aufweisen. Diese sollte man kennen, um die Katecholaminwirkungen auf den Körper besser nachvollziehen zu können_
I H2N-CI
I H2N-C-H I
NADP'
Wirkmechanismen und Funktionen
H
H
COOH
COOH
Die Katecholamine werden in den Zellen des Nebennierenmarks in Granula gespeichert. Ein erhöhter Bedarf führt zur Freisetzung durch Exozytose, die durch einen Anstieg der intrazellulären Ca 2+-Konzentration stimuliert wird. Während das sezernierte Adrenalin vorwiegend aus dem Nebennierenmark stamm t, kommt das Noradrenalin hauptsächlich aus den Nervenendigungen sympathischer, postganglionärer Nervenzellen. Hier dient es als Neurotransmitter oder entweicht aus dem synaptischen Spalt in die Blutbahn, wo es seine Wirkung als Hormon entfaltet. Katecholamin-Synthese und -Sekretion werden beeinflusst durch neuronale Reize des Sympathikus, durch Kortisol und durch Endprodukthemmung. Eine Sympathikusaktivierung füh rt zur Aktivi tätssteigerung der Tyrosinhydroxylase und de ß-Hydroxylase, während Kortisol v. a. die N-Methyltransferas r induziert. Durch allosterische Rückkoppelungshemmung der e Katecholamin-Biosynthese durch deren Endprodukte (also Adrenalin und Noradrenalin) wird eine überschießende Produktion vermieden.
co2
J
-~
L-Ami nosäureDecarboxylase HO
OH
DOPA
1 Abb. 1: Synthese der Katecholamine aus der Am inosäure Tyrosi n
OH
Dopamin
CH3
I I
I
H2N- C- H
H
HN- CH2
I
HO- C- H 02
ß-Hydroxylase
HOt ? OH Noradrenalin
N-Methyltrans1erase
HO~H OH Adrenalin
I!""'
I Hormone und Z tokine
Rezeptor
G-Proteln
ß,-Rezeptoren
G • !•l imulierend]
ß,-Rezeptoren
G , (nlrnuliereno)
Mechanismus Sti mulation der Adenytatzykl ase--> cAMP t--> Öffnung von Ca 2 '-Kanälen--> Ca''-Konzen trati on i Stimulation der Adeny latzykl ase - > cAMP t --> Aktivierung der Proteink inase A
0. 2-Rezeptor
Gl (inhiti~r rad)
a 1-Rezeptor
G,
Hemmung der Adenylatzykl ase --> cAMP i Sti mulati on der Phospholipase C--> Bild ung der zwei secend messenger Diacylglycerol (DAG) und lnositoltri sphosphat (JP,)--> Ca 2•t
I
Tab. 1: Molek ulare Wirkm echa ni sm en d er versc h iede nen Rezeptortypen
Adrenerge und noradrenerge Rezeptoren
Alle Katecholaminrezeptore n sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (G" Gi und Gq) mit sieben Transmembrandomänen. Man kennt fünf Rezeptortypen: a 1-, a 2 ·, ß1-, ß2- (und ß3-) Rezeptoren. Die Signaltransduktionswege der Rezeptoren sind in I Tabelle I dargestellt (s. dazu auch Kap. 80, I Abb. 2). Die Affinitäten der einzelnen Rezeptortypen zu Adrenalin bzw. Noradrenalin unterscheiden sich stark. Während Adrenalin an allen Rezeptoren wirkt, so wirkt Noradrenalin zwar über die a-Rezeptoren und ß1, aber so gut wie gar nicht über ß2•
88 I 89
gehemmt, die Glukagonsekretion gefördert. Eine Auswahl an Katecholaminwirkungen und der beteiligten Rezeptoren gibt I Tabelle 2. Abbau der Katecholamine
Adrenalin wird vorwiegend in der Leber abgebaut. Hierbei entstehen inaktive Abbauprodukte, die anschließend über die Nieren ausgeschieden werden können. Die beiden entscheidenden Enzyme sind die Katechol-0-Methyl-Transferase (COMT) und die Monoaminoxidase (MAO). Über die beiden Zwischensubstrate Metanephrin und 3-Methoxy4-Hydroxy-Mandelsäurealdehyd kommt es zur Bildung von Vanillinmandelsäure, dem Endprodukt des Katecholaminmetabolismus (I Abb. 2). Bei Überproduktion von Katecholaminen, z. B. durch ein Phäochromozytom, kann sie erhöht im Urin nachgewiesen werden, wodurch sie in der klinischen Diagnostik Bedeutung erlangt hat.
Wirkungen
Ty rosin
____,..
DOPA
Dopamin
~
!D~ Noradrenalin
Homovanillinsäure
Metanephrine
Die Katecholamine haben Einfluss auf viele Organe, wie Herz, Lunge, Gefäße, Pupillen, Muskel u.v.m. Sie stellen den Körper darauf ein, hohe Leistungen erbringen zu können. So führt Adrenalin zur Erhöhung der Herzfrequenz, des Herzminutenvolumens und der Muskeldurchblutung, bei gleichzeitiger Drosselung der Durchblutung von Darm und Haut. Um eine ausreichende Versorgung zu gewährleisten, müssen genügend Energiequellen zur Verfügung stehen: Der Blutglukosespiegel wird u. a. durch Glykogenabbau und GlukoI neogenese erhöht. Das Angebot an Fettsäuren und Glycerin wird durch Fettabbau gesteigert. Die Insulinsekretion wird
___....
/
COMT
~
!PNMT
Adrenalin
Vanillinmandelsäure
MAO : Monoaminooxidase DBH: Dopamin-ß-hydroxylase COMT: Catechol-0-methyltransfera se PNMT: Phenylethanolamin-N-meth yltransferase
Abb . 2: Abb au der Kat ec hola mine [ 151
Zusammenfassung • Die Katecholamina Adrenalin und Noradrenalin
Rezeptor
Orpn
Wirkung
a,
Schweißdrüsen
Stimuli erun g der Schwe ißsekretion
werden im Nebennierenmark aus der Aminosäure Tyrosin synthetisiert.
a,
Auge
Myd ri asis (M. dilata tor pupillae)
a.l, 0.2
Darm, Niere, Hau t
Konst riktion der Blutgefäße
a,
Pankreas, Fettgewebe
Hemmung der lnsulinsekreti on; Lipolyse
a,,ß,
Leber
Stimulierung der Glykogenolyse
f3,
Herz
An stieg von Freq uenz, Kontraktilit ät, HMV
ß,
Fe ttgewebe
Stimulierung der Lipolyse
J3,
Corona rgefäße
Dilatati on
ß,
Lunge
Bronchialdilatation, Dilata tion der Blutgefäße
ß,
Skelettmuskel, Leber
Dil atation der Blutgefäße
ß,
Pankreas
Glukagonfreisetzung, Jnsulinfreisetzung
1 Tab. 2 : Kat ec ho lami nwi rk ungen auf die versc h iedene n Orga ne (Ausw ahl)
• Die Ausschüttung der Katecholamina erfolgt auf nervale Reize des Sympathikus hin und führt insgesamt zu einer gesteigerten Leistungsbereitschaft des Körpers. • Katecholamine führen zur Mobilisierung von gespeicherten Energiequellen, zur Steigerung des Herzminutenvolumens und zur Erhöhung der Muskeldurchblutung.
Hormone der Nebennierenrinde I Die Nebennierenrinde ist für die Synthese der Steroidhormone zuständig. Diese werden alle aus Cholesterin synthetisiert und tragen ein Sterangerüst, nehmen aber ganz unterschiedliche Funktionen wahr. Man kann sie unterteilen in: ~ Glukokortikoide, die v. a. auf den Zuckerstoffwechsel Einfluss nehmen, ~ Mineralokortikoide, die den Wasser- und Elektrolythaushalt regulieren, ~ Sexualhormone.
~
HO
~0
HO
~OH
~0
~-H
~-'?
~'OH 0
0
Kortisol
Aufgebaut ist die Nebennierenrinde aus drei Zonen: der Zona glomerulosa, der Zona fasciculata und der Zona reticularis (von außen nach innen). ln der Zona glomerulosa werden die Mineralokortikoide (und ein Teil des Kortikosterons), in der Zona fasciculata die Glukokortlkolde und in der Zona reticularis die Androgene und Östrogene gebildet.
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o.GC.J~
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I Abb. 1: Synthese der Stereidhormone im Überblick (21 ~ 21-Hydroxylase, 11 ß ~ 11 ß-Hydroxylase A ~ Aromatase, D ~ Desmolase) [ 101 '
Nach Oxidation zu Progesteron im Zyto- bewirkt die Sekretion von adrenokorsol und dreifacher Hydroxylierung an tikotropem Hormon (ACTH) aus der Da die Synthesewege der verschiedenen den Positionen C11, C17 und C21 ist Hypophyse, das wiederum die FreiSteroidhormone eng miteinander verKortisol (= Hydrokortison) entstanden. setzung von Kortikosteroiden aus der ästelt sind, macht es Sinn, sich erstmal Die Hydroxylierungen finden am C 11 Nebennierenrinde stimuliert. einen Überblick über diese zu verschaf- im Mitochondrium, und an C17 und Einen positiven Einfluss auf die Sekrefen (I Abb. 1). C21 im Zytosol statt. tion haben außerdem die Zytokine IL-1 IL-6 und TNFa, die auf allen drei Ebe- ' Sekretion nen stimulierend wirken (HypothalaKortisol Die Kortisolsekretion weist tageszeitmus, Hypophyse und NebennierenKortisol ist der wichtigste Vertreter abhängige Schwankungen auf, sie rinde ). Gehemmt wird die Sekretion der Glukokortikoide, zu denen auch unterliegt somit einem zirkadianen durch negative Rückkoppelung. Rhythmus: In den Morgenstunden Kortison, Kortikosteron und strukturverwandte synthetische Verbindungen sind Sekretion und Serumkonzentration Wirkmechanismus (z. B. Prednisolon, Dexamethason) geam höchsten. Unter hohem Stress, hören. Es hat Einfluss auf den Glukose-, wie z. B. bei Krankheit oder nach Der Kortisol-Rezeptor befindet sich, im Aminosäuren- und Lipidstoffwechsel längerer Hungerperiode, steigt die Gegensatz zu den membranständigen und wirkt außerdem immunmodulatoKortisol-Sekretion ebenfalls an. Rezeptoren für Insulin, Katecholamine risch und entzündungshemmend. und Glukagon, im Zytosol. Dort liegt Transport er an das Hitzeschockprotein Hsp9Q Da Kortisol schlecht wasserlöslich ist, gebunden vor, das verhindert, dass Synthese, Sekretion, wird es im Blut an das a-Globulin Transder Rezeptor in den Zellkern wandert. Transport und Regulation kortin gebunden transportiert. Bei hoDas lipophile Kortisol kann ungehindert hen Kortisolkonzentrationen kann auch die Zellmembran passieren und an Synthese Albumin als Transportmolekül dienen. Die Biosynthese des Kortisols aus Choseinen Rezeptor binden. Dies führt zur lesterin beginnt mit Hyd roxylierungen Lösung des Hsp90 vom Rezeptor, woRegulation an den Positionen 20 und 22 und andurch die DNA-Bindungsdomäne und Die Regulation von Kortisolsynthese schließender Abspaltung der Seitenketdas Kernlokalisierungssignal des Rezepund ·Sekretion erfolgt durch das te, wobei Pregnenolon entsteht. Dieser tors demaskiert werden. Er wandert Hypothalamus- Hypophysen -System daraufhin in den Zellkern und bindet geschwindigkeitsbestimmende Schritt (s. Kap. 82). Das hypothalamisehe dort an Enhancer-Regionen der DNA wird von der Desmolase katalysiert Kortikotropin-Releasing Hormon (CRH) was die Expression bestimmter Gene' und spielt sich im Mitochondrium ab.
Hormone und Zytokine
bewirkt. Auf diese Weise werden Enzyme gebildet, wie beispielsweise Schrittmacherenzyme des Kohlenhydrat- oder Aminosäurenstoffwechsels, die die Wirkungen des Kortisols vermitteln. Wirkungen
tanz für die Synthese entzündungsfördernder Gewebshormone, der Prostaglandine. ~ Immunsuppression: Glukokortikoide führen über eine Beeinflussung der Lymphozytenfunktion zu einer Abschwächung des Immunsystems. So hemmt Kortisol die Synthese von Interleukin, das für die Differenzierung und Proliferation der T-Helferzellen notwendig ist. Ohne reife T- Helferzellen, können sich auch die B-Zellen nicht differenzieren, und die Antikörpersynthese bleibt aus. Dieser Effekt wird in der Klinik für die Behandlung von Erkrankungen mit überschießender Immunaktivität genutzt. Zum Einsatz kommen Glukokortikoide bei Autoimmunerkrankungen, wie der rheumatoiden Arthritis, oder auch gegen die akute lymphatische Leukämie.
90
I 91
Stiernacken [I Abb. 2). Durch den gesteigerten Proteinabbau kommt es zur Muskelschwäche, die verstärkte Synthese und Mobilisierung von Glukose führen zum Steroiddiabetes. Andere Symptome sind Depression, arterielle Hypertonie, Osteoporose und Hauterscheinungen wie Striae rubrae [I Abb. 2).
~ Glukosestoffwechsel: Kortisol ist für die Aufrechterhaltun g des Blutglukosespiegels zuständig, und sorgt so dafür, dass das ZNS ausreichend mit Energie versorgt wird . Dazu stimuliert es die Glukoneogenese in der Leber und hemmt die Glukoseaufnahme in die Muskel- und Fettgewebszellen. Damit genügend Ausgangsstoffe für die Glukoneogenese zur Verfügung stehen, induziert Kortisol Proteasen, die Aminosäuren aus dem Muskelgewebe freisetzen. Die Aminosäuren können schließlich nach Umwandlung zu a-Ketosäuren Pathobiochemie: [Pyruvat, a -Ketoglutarat) als Oxalacetat Cushing-Syndrom in die Glukoneogenese eingeschleust werden. Erleichtert wird dies über die Ein Hyperkortisolismus [CushingInduktion Aminosäure-metabolisieSyndrom) kann als Ursache einen render Enzyme durch das Kortisol. ACTH-produzierenden Hypophysentumor[= Morbus Cushing) oder einen kortisolproduzierenden Nebennierenrinden-Tumor haben oder auch Folge einer Glukokortikoid-Therapie sein. Durch das Überangebot an Kortisol kommt es zur Lipidmobilisation. Die Fette werden jedoch nicht verbrannt, sondern lagern sich im Körper um. I Abb. 2: Das typische Bild ein es Cushing-Patien~ Lipidstoffwechsel: Durch AktivieDies führt zu den typischen Symptomen ten mit stammbetonte r Fettsucht, Mondgesicht rung der hormonsensitiven Lipase in Stammfettsucht, Mondgesicht und und Striae rubrae (131 den Fettgewebszellen , fördert Kortisol die Lipolyse und damit die Freisetzung von Fettsäuren aus TriacylglycerinSpeichern. Diese können beim Fasten in Zusammenfassung der Leber zu Ketonkörpern (s. Kap. 70) X Glukokortikoide werden in der Nebennierenrinde aus Cholesterin synumgewandelt werden, die die meisten Organe, und nach einer Adaptationsthetisiert. Ihr wichtigster Vertreter ist Kortisol. phase auch das Gehirn , zur EnergieX Kortisol gewährleistet, dass das ZNS - auch in Hungerperioden - ausgewinnung nutzen können. reichend mit Energie versorgt wird. Dazu erhöht es den Glukosespiegel ..,. Entzündungshemmung: Eine Im Blut und bewirkt außerdem die Synthese von Ketonkörpern aus Fettweitere Wirkung von Kortisol ist die Unterdrückung entzündlicher Reaktiogewebe. nen. Dies geschieht durch die Induktion • Kortisol wirkt entzündungshemmend und immunsuppressiv und wird des Proteins Lipocortin, das durch Hemdeshalb zur Therapie bestimmter Krankheiten eingesetzt. mung der Phospholipase A2 zu einer verminderten Freisetzung von ArachiX Ein Oberangebot an Kortisol führt zum Cushing-Syndrom, das schwerdonsäure aus den Membranlipiden wiegende Symptome zur Folge haben kann. führt. Arachidonsä ure ist Ausga ngssubs·
Hormone der Nebennierenrinde II Neben den Glukokortikoiden werden in der Nebennierenrinde(= NNR) auch Mineralokortikoide und Sexualhormone gebildet. Der wichtigste Vertreter der Mineralokortikoide ist Aldosteron, das fü r die Regu lation des Wasser- und Elektrolythaushalts zuständig ist. Zu den Sexualhormonen zählt man die Androgene und die Östrogene. Aldosteron
im Sammelrohr die Natriumrückresorption und damit auch die Wasserretention, da das rückresorbierte Natrium Wasser mit sich zieht. Gleichzeitig wird Kalium vermehrt in das Tubuluslumen ausgeschieden, und die K+-Plasmakonzentration sinkt. Auch die Ausscheidung von Protonen über den Na+/ H+·Antiport wird durch Aldosteron gefördert. Im Darm und in den Schweißdrüsen wird die Natriumausscheidung ebenfalls gedrosselt.
Biosynthese
Wie alle Hormone der Nebennierenrinde werden auch die Mineralokortikoide aus Cholesterin synthetisiert, und zwar in der Zona glomerulosa, der äußersten Schicht der NNR. Regulation
Aldosteron sorgt für die Aufrechterhaltung eines konstanten Extrazellulärvolumens, was über die Steuerung der Natrium· Retention in den Nieren erreicht wird. Außerdem greift Aldo· steron in die Regulation des Kalium-Haushalts ein. Die Kennt· nis dieser Funktionen hilft, die Regulationsmechanismen der Aldosteronsynthese und ·Sekretion besser zu verstehen: .,.. Eine Abnahme des Extrazellulärvolumens wirkt stimulierend, die Zunahme hemmend. .,.. Die Abnahme der Natriumkonzentration im Plasma führt zur Stimulation, die Zunahme zur Hemmung. .,.. Bei Erhöhung der Kaliumkonzentration kommt es zu einer Zunahme der Aldosteronausschüttung, sinkt das Ka· lium, so wird diese gehemmt. .,.. Dopamin wirkt hemmend auf die Aldosteronsekretion . .,.. ACTH (adrenokortikotropes Hormon) stimuliert die Aldo· steronsekretion. Der wichtigste Aldosteron-regulierende Mechanismus ist je· doch das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS} (I Abb. 3). Bei Hypotonie kommt es zu einer verminderten Nierenperfusion, was zur gesteigerten Renirrsekretion aus den juxtaglomerulären Zellen der Niere führt. Renirr spaltet aus Angiotensinogen, das v. a. in der Leber gebildet wird, Angio· tensin I ab, das wiederum durch das Angiotensin·Converting· Enzym (ACE) in Angiotensin II umgewandelt wird. Dieses führt zu einer starken Aktivierung der Aldosteronsynthese und -ausschüttung. Ein weiterer Effekt von Angiotensin ll ist eine Vasokonstriktion, über die der Blutdruck zusätzlich erhöht wird.
Pathobiochem ie
.,.. Conn-Syndrom: Das Conn-Syndrom ist gekennzeichnet durch eine chronische Aldosteron-Überproduktion, die meist durch ein Nebennierenrinden-Adenom verursacht wird. Folgen sind eine Hypokaliämie, die zu Herzrhythmusstörungen und Tetanie führen kann, sowie eine Hypertonie. Aufgrund der verstärkten Protonenausscheidung kommt es zusätzlich zu einer metabolischen Alkalose. .,.. M. Addison (=primäre NNR-Insuffizienz}: Ein Ausfall der NNR-Funktion betrifft meist alle Nebennierenhormone allerdings verursacht der Mangel an Mineralokortikoiden ' akut die gefährlichsten Symptome. Diese wären eine Hyperkaliämie, metabolische Azidose und Dehydratation. Weitere Erscheinungen des Morbus Addison sind Hypoglykämie und eine Hyperpigmentierung der Haut, die durch erhöhte ACTHSekretion irrfolge mangelnder Rückkoppelungshemmung verursacht wird. Aus ACTH wird vermehrt Proopiomelanokortin gebildet, was mit einem Anstieg von melanozytenstimulie-
Regelgrößan:
Wirkungen
Seine Wirkungen entfaltet Aldosteron über die Bindung an einen zytoplasmatischen Steroidhormonrezeptor, über den die Expression der Zielgene beeinflusst wird . Die Wirkungen der Mineralokortikoide dienen der längerfristigen Homöostase des Wasserhaushalts. In den Nieren steigert Aldosteron durch Einbau von Natriumkanälen im distalen Tubulus und
I Abb . 3: Überbli ck überd as Renin-Angiotensin-Aidosteron-System [14]
....
L
Hormone und Zytokine
dung. Zusätzlich werden die Na+-Rückresorption sowie die Ausschüttung von Aldosteron und ADH gehemmt. Sexualhormone Androgene
~ Renin
~
---0-+ Angiotensin ---0- Aldosteron
~
II
-
I Abb. 4: Hormonelle Regulation des Wasser- und Elektrolythaushalts [81
rendem Hormon (MSH) und einer intensiven Pigmentierung der Haut einhergeht. Zusammenspiel mit anderen Hormonen des Wasserhaushalts ~
ADH: Das hypophysäre antidiuretische Hormon (s. Kap. 82) führt wie Aldosteron zu einem Blutdruckanstieg. Es führt durch den Einbau von Wasserkanälen (Aquaporine) im distalen Tubulus und im Sammelrohr zu einer Steigerung der H20·Rückresorption. Da hierbei keine Natrium-Ionen rückre· sorbiert werden, kommt es zur Abnahme der Serumosmolalität. Die Sekretion von ADH wird stimuliert durch eine Zunahme der Serumosmolalität, Acetyl· cholin, Nikotin und Morphin, während Adrenalin und Ethanol hemmend wirken. ADH bewirkt außerdem eine Vasokonstriktion, was zu einem weiteren Anstieg des Blutdrucks führt. ~ ANP: Das atriale natriuretische Peptid wird bei Vorhofdehnung irrfolge einer Zunahme des Plasmavolu mens von endokrinen Herzmuskelzellen sezerniert. Es führt zu einer Dilatation der Arteriolen und der renalen Blutge· fäße. Dies führt zum Anstieg der glome· rulären Filtrationsrate und damit zur Zunahme der Wasser- und Salzausschei·
Die männlichen Geschlechtshormone nennt man Androgene. Sie werd en in der Zona reticularis der NNR und in den Leydig-Zellen des Hodens gebildet und sind für die Ausbildung der männlichen Geschlechtsmerkmale zuständig. Das wichtigste Androgen ist Testosteron, dessen aktive Form 5a-Dihydrotestosteron ist. Androsteron entsteht beim Abbau von Testosteron und anderen Steroidhormonen, hat aber eine deutlich schwächere Wirkung als Testosteron. Androgene stimulieren die Bildung der Geschlechtsorgane und den Hodenabstieg beim männlichen Feten, das Wachstum der männlichen Geschlechtsorgane und die Ausbildung sekundärer Geschlechtsmerkmale beim Mann sowie die Spermatogenese. Außerdem hat Testosteron eine anabole Wirkung, die die Eiweißsynthese fördert, und es erhöht bei beiden Geschlechtern Libido und Erythropoese. Östrogene
Die Östrogene mit ihren wichtigsten Vertretern, Östron und Östradiol,
92 I 93
sind die weiblichen Sexualhormone. Sie werden v. a. im Ovar und in den Graaf-Follikeln gebildet, in geringerem Maße aber auch in der NNR und im Hoden. Die hypophysären Hormone LH und FSH sind für die Regulation der Östrogensynthese verantwortlich. Diese geschieht aus dem Cholesterin über die Zwischenstufen der Androgene. Östrogene stimulieren das Wachstum der weiblichen Geschlechtsorgane (Vagina, Ovar, Uterus, Tube) und die Ausbildung sekundärer Geschlechtsmerkmale. Pathobiochem ie: adrenogenitales Syndrom
Das AGS (adrenogenitales Syndrom) beruht auf einem Gendefekt und einer damit verbundenen Störung der Steroidbiosynthese. Meistens ist das 21-Hydroxylase-Gen betroffen. Es kommt zum Mangel an Kortisol und Aldosteron, da diese nicht aus ihren Vorstufen, Pro· gesteron und 17-Hydroxy·Progesteron, synthetisiert werden können. CRH und ACTH werden aufgrund der fehlenden Rückkoppelungshemmung durch Kortlsol vermehrt ausgeschüttet. Progesteron und 17-Hydroxyprogesteron reichem sich an, und werden vermehrt zu Androgenen umgewandelt (s. auch Kap. 90, I Abb. 1). Dies führt bei Mädchen zu einer Vermännlichung (Virilisierung) und bei Jungen zum vorzeitigen Eintritt in die Pubertät (Pseudopubertas praecox).
Zusammenfassung X Aldosteron ist für die Regulation des ExtrazelluläJVolumens zuständig. Es führt zu einer Erhöhung der Na+- und Wasserretention und der K+- und H+-Ausscheidung über die Nieren. X Reguliert wird Aldosteron vor allem über das Renin-Angiotensin-Aidosteron-system. X ADH führt wie Aldosteron zu einer Erhöhung des Blutdrucks, allerdings unter Abnahme der Serumosmolalität. ANP stellt in seinen Funktionen einen Gegenspieler des Aldosterons dar. X Androgene und Östrogene sind an Ausbildung und Wachstum der Fortpflanzungsorgane und der sekundären Geschlechtsmerkmale beim Mann bzw. bei der Frau beteiligt.
Hormone der Bauchspeicheldrüse I Insulin Insulin-Biosynthese
Insulin ist ein Hormon, das in den endokrinen Langerhans'schen Inseln der Bauchspeicheldrüse produziert und gespeichert wird. Das Pankreas enthält drei Arten endokriner Zellen mit den folgenden Funktionen:
u-Zellen: Produktion von Glukagon, ß·Zellen: Produktion und Speicherung von Insulin (etwa 80 % der Zellen der Langerhans'schen Inseln), lll>- 8-Zellen: Produktion von Somatostatin. lll>-
lll>-
Der erste Schritt der Synthese von Insulin (I Abb. 1) ist die Bildung von Präproinsulin. Dies ist eine Vorstufe, bestehend aus einer A- und einer B-Kette, einem C-Peptid , sowie einem Signalpeptid. Das Signalpeptid lenkt das Präproinsulin nun in das Lumen des rauen ER. Dort wird es durch eine Signalpeptidase abgespalten. Es entsteht Proinsulin, das in Vesikel verpackt zum Golgi-Apparat transportiert wird. Die restliche Synthese findet nun entweder im Golgi-Apparat oder in den Speiebergranula der ß-Zellen statt. Eine Protease schneidet das c-Peptid zwischen A- und B-Kette heraus, Produkt ist das fertige Insulin. Regulation der Sekretion
Der Mechanismus ist folgender: Die ß·Zellen des Pankreas besitzen einen Glukose-Transporter, GLUT-2. Dieser transportiert die Glukose in die Zelle, so dass der Glukosespiegel in der ß-Zelle dem im Blut entspricht. Die Glukokinase fungiert nun als sogenannter "Glukose-Sensor". Sie wandelt die aufgenommene Glukose in Glukose-6-Phosphat um, in anschließenden Schritten der Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette entsteht ATP. Die Menge des in der Zelle entstehenden ATPs entscheidet nun über die Menge des sezernierten Insulins. ATP bindet an intrazelluläre K+·Kanäle, die dadurch verschlossen werden. In der Folge werden Ca 2+-Kanäle geöffnet. Das einströmende Kalzium fördert die Exozytose der lnsulinspeichergranula. Rezeptor und Wirkung des Insulins
Membranständiger Insulinrezeptor Ein membranständiger Insulinrezeptor vermittelt die Wirkung des Insulins ins Innere der Zelle. Dieser Rezeptor besteht aus zwei a· und zwei ß- Untereinheiten (I Abb. 2). Die ß-Untereinheit hat eine Tyrosinkinaseaktivität und ist dadurch in der Lage, sich selbst und auch andere Proteine, hierbei sind IRS 1 und IRS 2 (Insulin-Rezeptor-Substrate) wichtig, zu phosphory. lieren, sobald Insulin am Rezeptor andockt. An diese beiden Proteine binden nun Enzyme und werden aktiviert. Je nachdem, welches Enzym das ist, werden die schnellen oder die langsamen Wirkungen des Insulins herbeigeführt: lll>- Schnelle Wirkung: Ein Enzym, das durch den Insulinrezeptor aktiviert wird, ist die Phosphatidylinositol-3-Kinase die ihrerseits die Bildung von PIP 3 (Phosphatidylinositol-3,4:5Trisphosphat) katalysiert. Dies ist ein sogenannter "second messenger", der über die Phosphorylierung von Serin- und Threoninresten unterschiedliche Wirkungen haben kann.
HOOC
Präproinsulin
~ER Golgi-Apparat, Vesikel
Proinsulin
Insulin
I
Abb. I: Die Synthese von Insulin )2]
l
Hormone und Zytokine
"~----------------------------------------------~--------~----
sI s
sI s
941 95
Wirkungs-ort __
Wirkung
Muskel- und Fettgewebe
Glukoseaufnahme in die Zelle
Glykolyse
Stimulation in allen Geweben durch Aktivierung der Phosphofruktokinase
Glu koneogenese
Hemmung
Pento sephosphatweg
St imulation
Glykogensynthese
Stimulation
Glykoge nolys e
Hemmung
Lipolyse
Hemmung
Lipidsynthese
St imulation
Proteinsynthese in Muskelzellen
Stimulation
I
Tab. 1: Insulin-Wi rk ungen
I Abb. 2 : Wirkungsmechanismus des Insulins aus [21
II>- Langsame Wirkung: Die Langzeiteffekte des Insulins werden über die Ras-Kaskade vermittelt, die bewirkt, dass verschiedene Transkriptionstaktoren aktiviert werden, die die Genexpression von anabolen Schrittmacherenzymen zur Folge haben. Diese Effekte setzen dann nach einigen Minuten bis Stunden ein.
Insulin-Wirkungen Eine wichtige Funktion des Insulins ist es, den Glukosespiegel im Blut zu senken. Diese Wirkung hat es aber nicht in allen Organen auf die gleiche Weise (I Tab. 1): 11>- Muskel- und Fettgewebszellen: Glukose kann nicht einfach durch die Zellmembran in die Zellen diffundieren, sondern muss durch Transporter hineingebracht werden. Von diesen Transportern gibt es fünf verschiedene: GLUT 1-5. Fett· und Muskelzellen besitzen GLUT 4, den einzigen insulinempfindlichen Glukosetransporter. Insulin fördert nun den Einbau von GLUT 4 in die Zellmembran, und somit kann Glukose in die Zelle transportiert werden. 11>- Andere Organe, wie die Leber oder das Gehirn, nehmen Glukose insulinunabhängig auf.
Volkskrankheit Diabetes mellitus
Die verschiedenen Formen des Diabetes mellitus haben alle einen Mangel an Insulin und in der Folge einen erhöhten Blutglukosespiegel gemeinsa m. Zur Diagnose eines Diabetes sind folgend e Kriterien notwendi g:
11>11>11>-
einmaliger Nüchtern-Blutzucker> 125 mg/dl Gelegenheitsblutzucker > 200 mg/dl 2·h·Wert beim Glukosetoleranztest > 200 mg/ dl
Diabetes Typ 1 Bei dieser Art des Diabetes, auch insulinabhängiger oder juveniler Diabetes genannt, liegt ein absoluter Insulinmangel vor. Es handelt sich um eine Autoimmunerkrankung, bei der Antikörper gegen die ß·Zellen der Bauchspeicheldrüse gebil· det werden. Die ß-Zellen werden mehr und mehr zerstört, und die Insulinproduktion sinkt, bis gar kein Insulin mehr gebildet werden kann. Durch den Mangel an Insulin kann die im Blut vorliegende Glukose nicht mehr in die Zellen aufgenommen werden, und es kommt zu einem Anstieg der Glukose im Blut. Durch einen vermehrten Abbau von Fett kommt es im Blut zudem zu einem Anstieg der Fettsäuren. Diese können aufgrunddes nicht funktionierenden Kohlenhydratstoffwechsels nicht auf normalem Wege ab_gebaut wer· den, sondern werden zu den Ketonkörpern Betahydroxy· buttersäure, Aceton und Acetessigsäure. Sie führen zu einer Übersäuerung des Blutes, und es entsteht eine metabolische Ketoazidose. Der Körper versucht, diese respiratorisch zu kompensieren, indem er mehr C02 abatmet. Der Atem der Patienten riecht nach Aceton, ein wichtiges Erkennungszeichen der Hyperglykämie bei der Erstdiagnose des Diabetes. Weitere Zeichen der Hyperglykämie sind Polyurie sowie starker Durst und Bauchschmerzen. Bei extrem hoher Glukose kann es zu einem hyperglykämischen Koma kom· men. Diese Art des Diabetes beginnt bereits in jungem Alter, häufig schon bei Kindern. Die einzige Behandlungsmöglichkeit bei diesem Typ besteht in der Substitution von Insulin.
Hormone der Bauchspeicheldrüse II Diabetes Typ 2 Beim Typ-2-oder auch Altersdiabetes bewirken verschiedene Ursachen eine Resistenz gegen Insulin. Folge ist, dass mehr Insulin ausgeschüttet werden muss, um den Blutglukosespiegel zu senken. Am Anfang der Erkrankung ist der Insulinspiegel also erhöht, erst spä· ter kann er erniedrigt sein. Folgen des Insulinmangels sind Hyperglykämien, da der Körper ohne die Wirkung von Insulin nicht in der Lage ist, den Blut· glukosespiegel ausreichend zu senken. Die wichtigsten Risikofaktoren für diese Form des Diabetes sind neben der gene· tischenVeranlagungvor allem Ad ipo· sitas, Hypertonus, Hyperlipidämie und Nikotinabusus. Behandelt wird Typ·2·Diabetes mit oralen Antidiabetika, die den Blutzucker· spiegel senken, indem sie die Sekretion von Insulin fördern. Ist der Körper zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr in der Lage, ausreichend Insulin zu produ· zieren, wird wie beim Typ-I-Diabetes Insulin substituiert. Die Folgen der Erkrankung sind bei den unterschiedlichen Formen die gleichen. Es kann durch den erhöhten Blutzuckerspiegel zu einer Makroangiopathie kommen, die über Arteriosklerose zu koronarer Herzerkrankung führen kann. Über die Hälfte der Diabetiker stirbt an einem Herzinfarkt. Weitere Folge der Hyperglykämien sind über eine Mikroangiopathie Niereninsuffizienz so· wie eine diabetische Retinopathie. Oft kommt es zu einer Polyneuropathie, mit an den Füßen beginnenden sensiblen Störungen. Aufgrund der Poly· neuropathie haben Diabetiker bei einem Herzinfarkt oft keine Schmerzen.
GLP- 1 GLP-2
Glukagon
I Abb. 3: Glukagon-Synthese
GLP-1 GLP-2
Glukagon
I
I
I
c=J GLP-1 c=J GLP-2
Glukagon
~ a-Zellen des Pankreas
ZNS + Darm
in der Darmschleimhaut sowie im ZNS Regulation und Wirkung gebildet wird, dort aber anders weiterverwertet wird. Präproglukagon besteht Glukagon Ist der Gegenspieler von Insuaus dem eigentlichen Glukagon sowie Bei einem Abfall des Blutzuckerspielin. zwei weiteren Peptiden, GLP-1 (Giukagelswird vom Pankreas Glukagon sezergon-Like-Peptide) und GLP-2, und niert. einem Signalpeptid (I Abb. 3) . Von der Vorstufe wird nun im endoplas· matischen Retikulum das Signalpeptid Bei einem Anstieg des Glukosespiegels abgespalten, es entsteht das Prohormon. sinkt der Spiegel von Glukagon, der In der Bauchspeicheldrüse wird im Insulin-Spiegel steigt und umgekehrt. nächsten Schritt durch proteolytische Zusätzlich ist die Glukagon-Sekretion Spaltung Glukagon hergestellt. In der in- abhängig von der Zusammensetzung testinalen Mukosa sowie im ZNS hinge- der Nahrung. Nach Aufnahme vieler gen wird Glukagon zerstört und GLP-1 Kohlenhydrate wird weniger Glukagon und GLP-2 entstehen. Hierbei handelt ausgeschüttet, nach einer Mahlzeit mit es sich um Hormone des Verdauungs· vielen Proteinen, also nach Resorption trakts, die im entsprechenden Kapitel von Aminosäuren, steigt der Glukagonspiegel. besprochen werden.
Glukagonrezeptor AdenylatzyKiase
Glukagon
~
y
ATP
Glukagon, ein neben dem Insulin weiteres wichtiges Hormon des endokrinen Pankreas, wird, wie schon beschrieben, in den a-Zellen der Bauchspeicheld rüse hergestellt.
~
zyklisches AM P
t
Proteinkinase A
~
Phosphorylase· Kinase
Proteinkinase A
~ Phosphorylase· Kinase
Glukagon-Biosynthese
Auch Glukagon wird vorerst als Vorstufe gebildet, dem Präproglukagon, das außer in der Bauchspeicheldrüse auch
t
Phosphorylase inaktive Form
I
~
Abb. 4: Wirkmechanismus von Glukagon am Beispiel der Stimulation der Glykogenolyse
Pl1osphoryl aktive For~e
[21
l
Hormone und Zytokine
/~--------------------------------------~~~~~~~~ I
961 97
Tab. 2: Wirkungen des Glukagons
Wirkung
Glukagon reze pto r
Glukagon wirkt über einen G,-gekoppelten Rezeptor (I Abb. 4) . Zuerst bindet das Hormon an den Glukagonrezeptor_ Dadurch wird beim an den Rezeptor gekoppelten G-Protein ein GDP durch ein GTP ersetzt und eine Untereinheit wird abgespalten. Diese Untereinheit wiederum aktiviert die membranständige Adenylatzyklase. Dieses Enzym katalysiert in der Zeit, in der der Rezeptor aktiv ist, die Bildung von zyklischen AMP-Molekülen (cAMP), die als Vermittler der Hormonbotschaft in der Zelle fungieren. Wirkung des Glukagons
Glykolyse
Hemmung
Glukoneogenese
Stimulation
Glykogensynthese
Hemmung
Glykogenolyse
Stimulation
13-0xidation von Fettsäuren
Stimulation
Lipolyse
Stim ulation
Aktivierung der hormonsensitiven Lipase. ~ Hemmend wirkt Glukagon auf die Glykolyse durch Inaktivierung der wichtigen Schrittmacherenzyme Phosphofructokinase und Pyruvatkinase. Ebenfalls durch Inaktivierung des Schlüsselenzyms wird die Glykogensynthese gehemmt. Angriffspunkt hierbei ist die Glykogen-Synthase.
Glukagon-Anwen dung
In der Klinik kommt Glukagon auch als Medikament zur Anwendung. Bei einer Hypoglykämie, wie sie zum Beispiel bei Diabetikern auftreten kann, wird Glukagon als Notfallspritze eingesetzt, um den Blutzuckerspiegel rasch wieder anzuheben. Außerdem wirkt Glukagon als Antidot bei Vergiftungen mit ß-Blockern.
Zusammenfassung • ln den ß-Zellen der Bauchspeicheldrüse wird über mehrere Vorstufen Insulin produziert. Die Menge ist abhängig vom Blutzuckerspiegel: Je höher der Glukosespiegel ist, desto mehr Insulin wird hergestellt.
In der Leber ist die Dichte der Glukagonrezeptoren am höchsten, hier hat ein Anstieg des Glukagonspiegels die stärkste Auswirkung:
• Es gibt schnelle und langsame Wirk1:1ngen des Insulins, wobei die Hauptfunktion darin besteht, den Glukosespiegel im Blut zu senken, indem Glu-
~
• Ein Mangel an Insulin liegt bei der Stoffwechselkrankheit Diabetes mellitus
Bindet Glukagon an die entsprechenden Rezeptoren in der Leber, so bewirkt dies eine Stimulation der Glykogenolyse, indem die Glykogen-Phosphorylase, das Schlüsselenzym der Glykogenolyse aktiviert wird (I Abb. 4). ~Außerdem aktiviert Glukagon die Glukoneogenese und die ß-Oxidation von Fettsäuren. Im Fettgewebe wird die Lipolyse stimuliert durch
kose in die Zellen aufgenommen und dort im Stoffwechsel verbraucht wird. vor. Hierbei unterscheidet man zwei verschiedene Typen, den juvenilen Typ-1-Diabetes sowie den überwiegend erst im Alter auftretenden Typ-2Diabetes. • Glukagon ist ein wichtiges Hormon der Bauchspeicheldrüse. Es wird dort in den a.-Zellen gebildet. • Aus der Vorstufe Präproglukagon wird durch Abspaltung eines Signalpeptids sowie protaolytische Spaltung Glukagon gebildet. • Stimulation für die Sekretion von Glukagon ist ein Abfall des Blutglukosespiegels. • Die wichtigste Wirkung ist die Steigerung des Blutglukosespiegels durch Aktivierung bzw. Hemmung der unterschiedlichen Stoffwechselwege. • Klinisch kommt Glukagon zur Anhebung des Blutzuckerspiegels bei Hypoglykämie sc.>wie als Gegenmittel bei Vergiftungen mit ß-Biockern zur Anwendung. • Insulin und Glukagon sind Antagonisten mit weitgehend gegensätzlicher Wirkung.
Eicosanoide, Zytokine und Signaltransduktion Eicosanoide und Zytokine sind Signalmoleküle mit hormonartiger Wirkung und nur kurzer Lebensdauer, die in allen Zellen hergestellt werden, mit Ausnahme der Erythrozyten. Die Signalmoleküle binden an spezifische Rezeptoren auf der Zielzelle und durch Signalkaskaden werden in der Zielzelle spezifische Reaktionen ausgelöst Eicosanoide
(
Phospholipid
)
j ·I
Plasmamembran
I Abb. 1: Synthese der Eicosanoide
Hemmung · 7l durch Kortikoide
Phospholipase A2 1
rd
Arachido nsäure
Hemmung /, durch NSAID
Prostag landine, Thromboxane
Eicosanoide leiten sich von mehrfach an spezifische Rezeptoren, die zur ungesättigten C20 -Fettsäuren ab und Gruppe der G-Protein gekoppelten haben unterschiedlichste Funktionen. Rezeptoren gehören. Zu den Eicosanoiden zählen die Prostaglandine und Thromboxane sowie ~ Prostaglandine haben ein breites die Leukotriene. Wirkungsspektrum, sie verursachen Die wichtigsten Vertreter der ProstaSchmerzen, Entzündung, Fieber und glandine (PG) sind PGA, PGE, PGF in geringerem Umfang eine Konstrikund PGI. Prostaglandin 12 wird auch als tion der glatten Muskulatur. Außerdem Prostacyclin bezeichnet Thromboxane hemmen sie die Säuresekretion des (TX) kommen in allen Geweben vor, Magens. Thromboxan·Rezeptoren befinden sich ~ Thromboxane fördern die Aggregaan Thrombozyten und an den Zellen tion der Blutplättchen über Vasekonsder glatten Muskulatur. triktion und direkte Aktivierung der Thrombozyten. ~ Leukotriene wirken auf die glatte Biosynthese der Eicosanoide Muskulatur, wodurch sich die BronchoDie Eicosanoide werden aus Arachikonstriktion bei allergischem Asthma donsäure (s. auch Kap. 62) gebildet, erklärt. Die bronchokonstriktorische die in membrangebundenen PhosphaWirkung der Leukotriene ist 1000-mal tidylverbindungen (Phosphatidylinositol, stärker als die der Prostaglandine oder -ethanolamin, -cholin, -serin) vorkommt des Histamins. Das Leukotrien LTB 4 vermittelt die Aggregation von Leukound durch Phospholipasen wie die Phospholipase A2 freigesetzt wird. zyten und ihre Adhäsion an die Gefäßwand. Zusätzlich werden entzündungsDie Umwandlung von Arachidonsäure fördernde Radikale freigesetzt in Eicosanoide erfolgt auf zwei Hauptwegen: Hemmung der Eicosanoid~ Prostaglandine und Thromboxane Synthese durch Pharmaka werden durch die Cyclooxygenase Nichtsteroidale Antirheumatika (COX) gebildet, Synonyme: NSAR oder NSAID (=non..,. Leukotriene werden durch die steroidal anti-inflammatory drugs). Die Lipoxygenase gebildet (I Abb. I). Wirkung einiger gängigen Schmerzmittel (z. B. Acetylsalicylsäure, lbuprofen, Physiologische Wirkung Diclophenac) wird über eine Inhibition der Eicosanoide der Cyclooxygenase (COX) vermittelt. Dies führt zu einer verminderten Eicosanoide haben unterschiedliche Prostaglandinsynthese und damit zur Funktionen, und teilweise wirken die Hemmung von Schmerz-, Fieber- und Vertreter dieser Gruppe gegensätzlich. Entzündungsreaktionen. Die meisten So fördern Thromboxane die Aggrega· NSAID hemmen beide Isoenzyme der tion der Blutplättchen, während ProsCyclooxygenase (COX-1 und COX-II ), taglandin 12 die Wirkung der Thromund führen so zu Nebenwirkungen boxane hemmt Eicosanoide binden
Leukotriene
insbesondere am Magen. Durch neuere selektive COX-11-Inhibitoren (Coxibe)' können die Nebenwirkungen vermieden werden, da diese v. a. durch die Hemmung der ubiquitär vorkommenden COX-l verursacht werden. Eine weitere Nebenwirkung der NSAID ist das sog. ,.Aspirin-induzierte Asthma• bei dem die COX-Hemmung zu einer ' überschießenden Leukotrien-Bildung führt, was wiederum eine starke Bronchokonstriktion zur Folge hat.
Glukokortikoid e Die entzündungshemmende Wirkung der Glukokortikoide beruht auf der Hemmung der Phospholipase A21 was die Freisetzung von Arachidonsäure und folglich die Eicosanoidsynthese verhindert (I Abb. 1). Zytokine
Zytokine sind Polypeptide, die die DNA-, RNA- und Proteinsynthese nach Bindung an spezifische Rezeptoren in der Plasmamembran der Zielzelle steuern. Sie beeinflussen neben Entzündungsreaktionen auch Dauer und Stärke der Immunabwehr und regulieren Teilung, Wachstum und Bewegung anderer Zellen. Gentechnisch hergestellte Zytokine werden auch therapeutisch eingesetzt, so in der Behandlung der Hepatitis Bund C (Interferon). Einteilung
Die Zytokine lassen sich in Untergruppen einteilen, dazu zählen die lnterleukine, Interferone, Chemokine und Wachstumsfaktoren:
Hormone und Zytokine
1)- In der Gruppe der Interleukine gibt es pro-inflammatorische (z. B. !L-I, TNFa) und anti-inflammatorische (z. B. IL-4, TGFß) Zytokine. Die Bezeichnung ist nicht einheitlich. So werden einige Zytokine als Interleukin (IL), andere mit ihrem historischen Wirkmechanismus bezeichnet, wie z. B. Tumor-NekroseFaktor a (TNFa ). 1)- Interferone (IFN) werden nach ihrem Bildungsort unterschieden: Alpha-Interferone stammen aus Leukozyten, Beta-Interferone aus Fibroblasten und Gamma-Interferone aus I-Lymphozyten. 1)- Chemokine führen nach Bindung an spezifische Rezeptoren zu einer gerichteten Wanderung von Zellen (Chemotaxis). 1)- Wachstumsfaktoren steuern die Differenzierung von Zellen und regen die Zellproliferation an. Die Bezeichnung richtet sich in der Regel nach dem beeinflussten Zelltyp oder der Funktion (z. B. Erythropoietin, Granulocyte colony Stimulation factor).
Physiologische Wirkung der Zytokine
Einzelne Zytokine können auf unterschiedliche Zellen jeweils andere Einflüsse ausüben (Pleotropismus), andererseits können verschiedene Zytokine dieselbe Wirkung haben (Redundanz). Zytokine sind an der Regelung bei· nahe aller entzündlichen Vorgänge im Körper beteiligt und können autokrin, parakrin oder endokrin wirken (s. Kap. 80). Es gibt eine Vielzahl von Interleukinen. Sie dienen der lmmunabwehr, aber auch der Hämatopoiese. Interferone werden von Virus-infizierten Zellen freigesetzt und schützen andere Zellen, sie haben immunmodulatorische Eigenschaften.
Einige der interleuklne werden für die Diagnostik bei Entzündungsreaktionen genutzt, z. B. il-6, andere sind in Ihrer Wirkung beeinflussbar, wie z. 8. TumorNekrose-Faktor a (TNFa) über den monokionaien TNFa-Antikörper lnfliximab.
TNFa, das auf allen kemhaltigen Zellen des Körpers Rezeptoren besitzt, bewirkt die klassischen Zeichen einer Entzündung (Rötung, Schwellung, Schmerz, Überwärmung).
Signaltransduktion
Zytokine binden an spezifische Rezeptoren der Zelloberfläche und lösen eine Signalkaskade aus. Der Rezeptor dient der Signalübermittlung in das Zellinnere, da die meisten Liganden die Zellmembran nicht durchdringen können. Die Bindung eines Liganden an der Außenseite seines Rezeptors führt zu einer Konformationsänderung auf der zytosolischen Seite, wodurch das Signal mithilfe des TransmembranproteiDs ins Zellinnere überführt wird. Zytokine steuern das Zellwachstum auf der Ebene der Transkription von Genen. Dazu wird nach Bindung eines Liganden (z. B. Interferon), eine Signalkaskade aktiviert, die das Signal direkt von der Zellmembran bis in den Zellkern weiterleitet, die sog. Jak.-StatKaskade (I Abb. 2). Diese benötigt nur wenige Signalmoleküle und ermöglicht eine rasche Änderung der Transkriptionsaktivität In der Zellmembran finden sich zwei Interferon-Rezeptor-Monomere, die
98
I 99
selbst keine Tyrosinkinaseaktivität besitzen. Mit jedem Rezeptor-Monomer ist eine JAK-Kinase (Janus-Kinase, abgeleitet von Janus, dem römischen Gott mit zwei Gesichtern) verbunden, die solange inaktiv ist, bis durch Bindung des Liganden ein Rezeptor-Dimer entsteht, worauf die Phosphorylierung der aktivierten JAK-Kinasen erfolgt. Im nächsten Schritt werden die im Zytoplasma vorhandenen Stat-Proteine (Signal transducer and gCtivator of transcription) durch die Jak-Kinase phosphoryliert und dadurch aktiviert. DieStat-Proteinewerden in den Zellkern transportiert und bewirken dort eine Steigerung der Expression von Genen, die die entsprechende Erkennungssequenz tragen.
I
Abb. 2: Pri nzip der Jak-Stat-Kaskade
15)
Zusammenfassung X Eicosanoide sind Signalmoleküle mit hormonähnlicher Wirkung. Sie sind Schlüsselmoleküle bei Entzündungs- und Abwehrvorgängen. X Synthese (z. B. Cyclooxygenase-Reaktion) und Wirkmechanismus (z. B. TNFa-Rezeptor) der Eicosanoide erlauben pharmakologische Beeinflussung. X Die Übermittlung der Information erfolgt über Rezeptoren an der Zellaußenseite. Diese leiten das Signal über eine Kaskade zum Zellkern weiter. X Jak-Stat-Kinasen sind ein schneller Weg zur Regulation der "transkription bestimmter Gene.
Immunsystem - Grundlagen Humorale Abwehr
Unser Immunsystem ist dazu da, den Körper sowohl vor fremden, womöglich gefährlichen Substanzen als auch vor infizierten oder entarteten Körperzellen (Krebszellen) zu schützen. Dazu muss es in der Lage sein, diese von körper· eigenen, gesunden Zellen zu unterschei· den.
Zur humoralen Abwehr zählt man alle Proteine, die auf irgendeine Weise an der Immunantwort beteiligt sind: ~ ~
flüssigkeiten (Atemwegssekret, Tränen· flüssigkeit, Speichel) vorkommendes Enzym, das die Bakterienwand grampositiver Bakterien angreift, und auf diese Weise bakterizid (= Bakterien abtötend) wirkt. ~ Laktoferrin: Bakterien benötigen Eisen, um sich replizieren zu können. Das Protein Laktoferrin wirkt antibak· teriell, indem es Eisen bindet und da· durch die Eisenkonzentration senkt, was dazu führt, dass die Bakterienver· mehrunggehemmt wird (Bakteriostase). ~ Akute-Phase-Proteine (s. Kap. I 06), ~ Interferone: Gewebshormone, die immunstimulierend wirken und haupt· sächlich von Leukozyten und Fibroblasten gebildet werden. Sie wirken vor allem antiviral und antiturnoraL
Einteilung
Bei der Immunabwehr gehen zwei ver· schiedene Systeme Hand in Hand: ~ Die zelluläre Immunantwort, die durch die weißen Blutkörperchen (Leukozyten) repräsentiert wird , sowie ~ Die humorale Abwehr, an der gelöste Stoffe (Proteine) beteiligt sind.
Außerdem unterscheidet man eine er· worbene bzw. spezifische, von einer angeborenen, unspezifischen Reaktion. Einen Überblick über die verschiedenen Teilsysteme der Abwehr liefert I Tabelle 1. Zelluläre Abwehr
Die bisher genannten Proteine sind Teil der unspezifischen Immunabwehr. Zur humoralen Abwehr zählen aber auch Antikörper (Immunglobuline), die Bestandteil der spezifischen Abwehr sind.
Die Zellen der Immunabwehr bezeichnet man zusammengefasst als Leukozyten. Sie entstehen im Knochenmark und leiten sich- wie Erythrozyten und Thrombozyten auch- von pluripotenten Stammzellen ab. Diese können sich in alle möglichen Richtungen ausdifferenzieren, wobei verschiedene Leukozytenarten entstehen, die jeweils spezielle Eigenschaften aufweisen und dementsprechend unterschiedliche Auf. gaben übernehmen. Zu den Leukozyten zählt man Lymphozyten, Granulozyten, Monozyten, Makrophagen, Mastzellen und dendritische Zellen. Allerdings findet man normalerweise nur die ersten drei Gruppen im Blut. Makrophagen, Mastzellen und dendritische Zellen halten sich vorwiegend im Gewebe auf.
Spezifisch
Unspezifisch
Komplementsystem (s. Kap. 106), Lysozym: Lysozym ist ein in Körper-
~ So "fressen" die Phagozyten (auch Fresszellen genannt) die Fremdstoffe auf, um sie in ihrem Inneren abzutöten und abzubauen. Auch körpereigene Zellen, die zu alt oder funktionsunfähig sind, werden auf diese Weise zerstört. Zu den Fresszellen zählen neutrophile Granulozyten und (Gewebs-}Makrophagen. Letztere entstehen, wenn ihre Vorläuferzellen, die Monozyten, aus dem Blut ins Gewebe auswandern, um dort zu Makrophagen auszureifen. ~ Andere Zellen der unspezifischen Resistenz dagegen (Mastzellen, natür-
liche Killerzellen, basophile und eosinophile Granulozyten} bekämpfen Eindringlinge durch Sekretion von
schädigenden Stoffen. ~ Dendritische Zellen bekämpfen Krankheitserreger, indem sie diese aufnehmen und an ihrer Oberfläche präsentieren, um Zellen des spezifischen Immunsystems auf sie aufmerksam zu machen. Sie gehören zu den wichtigsten
Antigen-präsentierenden Zellen
(APC). Unspezifische Abwehr
Die unspezifische Abwehr greift jeden Fremdkörper an, egal, ob dieser ihr bereits bekannt ist oder nicht. Dazu erkennt sie Oberflächenmerkmale der jeweiligen Eindringlinge (z. B. Krankheitserreger), die diese als körperfremd ausweisen. Wie der Name bereits sagt, ist diese Form der Abwehrreaktion sehr unspezifisch, d. h. sie erkennt Oberflächenstrukturen, die bei sehr vielen
Zellulär
Humoral
~
B-Lymphozyten
Antikörper (Immunglobuline)
~
T-Lymphozyten
~
Monozyten / Makrophagen
~
~
Granulozyten
~ Lysozy m
~
Mastzellen
~ Laktoferrin
Komplement
~ Natürliche Kill erzellen (NK-Zellen)
~
~
.,. Interferon e
Dendritische Zellen
verschiedenen Keimen vorkommen. Die unspezifische Abwehr wird auch als natürliche oder angeborene Abwehr bezeichnet, da sie von Geburt an einsatzbereit ist. Die Zellen der unspezifischen Abwehr verfügen über verschiedene Methoden ' um gegen die Eindringlinge vorzugehen.
Akute-Ph ase-Proteine
I Tab. 1: Einteilung d er Immuna bwe hr
Spezifische Abwehr Zelluläre und humorale Komponenten
Im Gegensatz zur natürlichen Abwehr sind die Bestandteile der erworbenen Abwehr(= Immunsystem) hochspezifisch, d. h. jeder B- oder I-Lymphozyt ist auf die Bekämpfung eines einzigen Fremdstoffes spezialisiert. Die Spezifität wird dabei über spezielle Oberflächenrezeptoren der Lymphozyten vermittelt an denen Antigene andocken und zu ' einer Aktivierung des Lymphozyten führen können. Zum besseren Verständnis sollte man sich über die Definition eines Antigens im Klaren sein.
Immunsystem
Ein Antigen ist ein Strukturmerkmal einer Zelle oder eines Stoffes {körperfremd oder körpereigen), das durch die Zellen der spezifischen Abwehr erkannt wird. Die Antigenrezeptoren der Lymphozyten und die Antikörper erkennen dabei einen ganz bestimmten Teil des Antigens, das Epitop (• antigene Determinante).
Den humoralen Teil der spezifischen Abwehr bilden die Antikörper (= Immunglobuline) . Diese werden durch aktivierte B-Lymphozyten (Plasmazellen} sezerniert und deaktivieren Krankheitserreger, indem sie an diese binden und zu einer Bildung von unlöslichen Antigen-Antikörper-Komplexen führen . Eigentlich handelt es sich bei den Antikörpern um die löslichen, sezernierten Formen der Antigenrezeptoren der B-Lymphozyten.
ll> Zur lymphatischen Reihe gehören nur die Lymphozyten (T- und B-Lymphozyten, NK-Zellen) sowie deren Vorläuferzellen (präT und prä-B-Zellen). Die Vorläuferzellen der Lymphozyten reifen in den primären lymphatischen Organen (Thymus, Knochenmark) aus, wobei dies für die T-Zellen im Thymus stattfindet, während die B-Zellen noch im Knochenmark (Bane marrow) ausreifen. Anschließend wandern die reifen
Eosinoph ile
Eigenschaften der spezifischen Abwehr Ein Nachteil der spezifischen Abwehr ist, dass ihre Reaktion verzögert abläuft: Sie erreicht ihr Maximum erst nach ca. 5-8 Tagen, weil die Lymphozyten sich normalerweise im Ruhestand befinden (G0 -Phase des Zellzyklus) und erst durch Kontakt mit ihrem spezifischen Antigen aktiviert werden. Um im Falle einer Re-Infektion schneller reagieren zu können, hat sich das spezifische Immunsystem einen Trick ausgedacht. Es kann ein immunologisches Gedächtnis in Form der sog. Gedächtniszellen auszubilden. Ein Teil derBund I-Lymphozyten differenziert sich nach Erstkontakt mit einem Antigen zu B- bzw. T-Gedächtniszellen aus. Die Gedächtniszellen befinden sich in ständiger Einsatzbereitschaft und gewährleisten bei erneutem Kontakt mit dem Antigen eine rasche und sehr effektive Immunreaktion. Dieser Effekt wird auch beim Prinzip der aktiven Impfung genutzt.
Welchen Weg die plurlpotente Stammzelle einschlägt, wird durch Hormone {Erythropoletln, Thrombopoletln) und durch Zytokine (z. B. lnterleukine) g~euert.
(3.
....,.
i myeloische...,.
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-~~ "'""]"" "'C_.~_~·>---+-- Po;~~~i~~-Zelle;
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Neutroph ile ~.:::,. Leukozyten Basophile ,;: Erythrozyten
Thrombozyten -c-
I 1o1
Lymphozyten in die sekundären lymphatischen Organe (Lymphknoten, Milz, Peyer'sche Plaques, Tonsillen, Appendix) ein, wo sie zur Ruhe kommen, bis sie durch Antigenkontakt zur Differenzierung und Proliferation angeregt werden. ll> Alle übrigen Blutzellen (Granulozyten, Monozyten/ Makrophagen, Mastzellen, dendritische Zellen, Erythrozyten, Thrombozyten) gehen den Weg der myeloischen Reihe.
dem Knochenmark ab, die dazu in der Lage sind, sich zu jeder Art von Blutzelle zu differenzieren. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Hauptdifferenzierungswege: die lymphatische Reihe und die myeloische Reihe (I Abb. 1):
/
1oo
Megakaryozyten...,.
NK-Ze lle)
f lymphatische Stammzelle
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Knochenmark
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Thymus
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Thymusfaktoren
T-Zelle
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Zytotoxische Zelle
/
T-GedächtnisZelle
Zelluläre Immunität
Pla smazelle B-Gedächtniszelle
l". .
Antikörpe r ),).",\AAA
Humorale Immunität
I Abb. 1: Immunzellbildung im Überblick [7]
Zusammenfassung X Man kann das Immunsystem in eine unspazifische (angeborene) und eine
spezifische (erworbene) Abwehr unterteilen. X Die Bestandteile der unspezifischen Immunantwort richten sich gegen alle
körperfremden Zellen und Stoffe, ohne vorher aktiviert werden zu müssen. X Die Zellen und Antikörper der erworbenen Abwehr richten sich gezielt ge-
genfür sie spezifische Fremdstoffe. Dabei spielt die Aktivierung durch Anti-
Immunzellbildung Alle Zellen des Immunsystems leiten sich von pluripotenten Stammzellen aus
gene eine große Rolle. X Bei der Immunzellbildung aus pluripotenten Stammzellen des Knochen-
marks unterscheidet man die lymphatische von der myeloischen Zell reihe.
Zellen des Immunsystems membran auf, wobei Vesikel entstehen, die sog. Phagosomen. Anschließend verschmelzen die Phagosomen mit den Granula der Neutrophilen, die Iysosomale und bakterizide Enzyme enthalten. In den Granula werden die Eindringlinge abgebaut. ~ Die mittelgroßen Granula der eosinophilen Granulozyten lassen sich durch den sauren Farbstoff Eosin rot anfärben. Die Eosinophilen machen ca. 3-5% der Gesamtleukozyten aus und sind hauptsächlich an der Abwehr von Parasiten, aber auch an der Entstehung von allergischen Reaktionen beteiligt. Sie bekämpfen ihre Zielzellen durch Ausschüttung toxischer Substanzen aus ihren Granula und durch Phagozytose. An diesen Myeloische Zellreihe Reaktionen sind v. a. IgE-Antikörper Die Abwehrzellen der myeloischen beteiligt. Reihe sind im Wesentlichen Granulo.,.. Basophile Granulozyten enthalten zyten, Monozyten, Makrophagen und größere Granula, die sich durch badendritische Zellen. sische Farbstoffe blau anfärben lassen. Sie sind mit ca. 0-1% die seltensten Zellen des Differenzia lblutbilds. Ihre Granulozyten Funktion ist noch weitgehend ungeGranulozyten enthalten in ihrem Zytoklärt, aber man vermutet, dass sie in plasma Granula und werden nach ihrem der Auslösung von Allergien eine Färbungsverhalten in neutrophile, eosi- entscheidende Rolle spielen, da der nophile und basophile Granulozyten Kontakt mit antigen-beladenen IgEAntikörpern sie zur Sekretion von eingereil t: Histamin stimuliert. Wandern Basophile ins Gewebe aus, werden sie ~ Neutrophile Granulozyten enthalten kleine Granula, die sich kaum an- Mastzellen genannt. färben lassen. Sie machen mit 60- 70% den größten Anteil der Leukozyten im Monozyten und Makrophagen Blut aus und spielen besonders bei Monozyten sind die größten Leukoakuten Entzündungen eine wichtige zyten und machen ca. 3- 7% der GeRolle. Dabei werden sie chemotaktisch samtleukozyten im Blut aus. Während (d. h. durch Ausschüttung von Botensie sich im Blutkreislauf aufhalten, stoffen) von entzündetem bzw. geschänehmen sie keine besondere Funktion digtem Gewebe angelockt. Hier bewahr. Erst wenn sich die Monozyten kämpfen sie die Krankheitserreger im Gewebe eingenistet haben und zu durch Phagozytose, d. h. sie nehmen (Gewebs-)Makrophagen ausgereift sind, diese durch Einstülpen in die ZellBei der Einteilung der unterschiedlichen Immunzellpopulationen bedient man sich verschiedener Methoden. Beispielsweise kann man die einzelnen Granulozytenunterarten schon lichtmikroskopisch voneinander unterscheiden, was bei den Lymphozytensubgruppen nur elektronenmikroskopisch möglich ist. Ein weiteres System, nach dem man die Leukozyten einteilen kann, ist das CD-System (CD= duster of differentiation). CD-Moleküle befinden sich auf den Zelloberflächen der Leukozyten und auch anderer Körperzellen, wobei jeder Zelltyp eine charakteristische Zusammensetzung dieser Oberflächenmoleküle aufweist (I Tab. 1).
CD
Zelltyp (Beispiele)
Funktion des CD-Molekilla (Beispiele)
CD3
ReifeT-Lymphozyten
T-Zeii-Signaltransduktion, Expression des T-Zeii-Rezeptors
CD4
T-Helferzellen. Monozyten/Makrophagen.
Corezeptor bei der T-Zeii-Aktivierung über MH C-11-Molekül e;
Granu lozyten, dendritische Zellen
HIV-Rezeptor
ZytotoxischeT-Ze llen
Corezeptor bei der T-Zeii-Aktivi erung über MHC-1-Moleküle
CDB CD40
werden sie für die Immunabwehr von Bedeutung.
Monozyten sind die Vortäuferzellen der Makrophagen.
Ähnlich wie neutrophile Granulozyten bekämpfen Makrophagen Keime und befallene Körperzellen mittels Phagozytose. Aber im Gegensatz zu Granulozyten arbeiten sie eng mit dem spezifischen Immunsystem zusammen: Sie binden die aufgenommenen Antigene an einen Oberflächenrezeptor, den MHC-11-Rezeptor, um sie den T-Zellen zu präsentieren, wodurch diese aktiviert werden. Die Makrophagen kommen im ganzen Körper vor, haben aber in jedem Gewebe einen eigenen Namen (z. B. Leber~ Kupfferzellen, Nieren --+ Mesangiumzellen, Lunge --+ Alveolarmakrophagen usw.). Die Gesamtheit aller Makrophagen wird als mononukleäres Phagozytensystem oder retikuloendotheliales System (RES) zusammengefasst. Dendritische Zellen
Dendritische Zellen sind die einzigen Zellen des Immunsystems, die sich ausschließlich mit der Antigenpräsentation beschäftigen. Sie gehören zur Gruppe der Antigen-präsentierenden Zellen (APC). Lymphatische Zellreihe
Zur lymphatischen Zellreihe gehören Lymphozyten und ihre Vorstufen sowie natürliche Killerzellen (NK-Zellen). Letztere gehören zur unspezifischen Abwehr, wodurch sie sich zusätzlich von den übrigen Lymphozyten unterscheiden.
Makrophagen, dendritisc he Zell en,
B-Zeii-Wa chstum, Differenzierung und Antikörper-Kl assen-
I Tab. 1: Beisp iele für CD-Moleküle mit den
Endothelzellen, Keratinozyten
wechsel
d azugehörigen Zelltype n
Immunsystem
B-Lymphozyten Reife B-Lymphozyten (Plasmazellen) sind die einzigen Immunzellen, die Antikörper produzieren können. Sie sind damit die Träger der humoralen (spezifischen) Immunantwort Die Verwandlung der pluripotenten Stammzelle über die prä-B-Zelle zum B-Lymphozyten geschieht im Knochenmark (hone marrow). Diesen Schritt bezeichnet man als Antigen-unabhängige Phase, da er ohne Kontakt zu einem Antigen abläuft. Bereits in diesem Schritt entsteht durch Rekombination von Genen (s. u.) eine Vielfalt verschiedener B-Lymphozyten, die über unterschiedliche, spezifische Antigenrezeptoren verfügen. Die B-Zellen gelangen aus dem Knochenmark in die sekundären lympha· tischen Organe, wo sie zur Ruhe kommen, bis sie mit einem für sie spezifischen Antigen in Kontakt kommen. Trifft also ein Antigen auf den passenden B-Lymphozyten, differenziert er zur Plasmazelle, die sich daraufhin vermehrt (klonale Selektion)_ Die Plasmazelle produziert Antikörper gegen das Antigen, das zu ihrer Aktivierung geführt hat. Antikörper sind nichts anderes als die Antigenrezeptoren des Vorläufer-B-Lymphozyten in gelöster, sezernierter Form. Ein Teil der aktivierten B-Lymphozyten differenziert zu B-Gedächtniszellen. Diese ruhen weiterhin in den sekundären lymphatischen Organen, sind aber bei einer Re-Infektion sofort einsatzbereit.
phozyten verfügen über spezifische Rezeptoren, die durch Kombination verschiedener Gene entstehen. Nach der Reifung werden die T-Z eilen aus dem Thymus in die Blutbahn ent· lassen, wo sie auf ihren Einsatz warten. Der Thymus bildet sich bei Eintritt in die Pubertät zurück. Man unterscheidet bei T-Lymphozyten vier Subtypen:
1021103
..,.. Auch T-Lymphozyten sind in der Lage, ein immunologisches Gedächtnis auszubilden (T-Gedächtniszellen).
..,.. ZytotoxischeT-Zellen (T-Killerzel-
len) schütten nach Aktivierung durch Fremdantigene zytotoxische Substanzen (Perforin) aus. Sie gehören zu den CD8·Zellen und erkennen die entspre· ehenden Antigene nur, wenn sie ihnen an einem MHC-1-Protein präsentiert werden. ..,.. T-Helferzellen unterstützen B-Zellen bei ihrer Differenzierung zur Plasmazelle, da hierfür der reine Kontakt mit einem Antigen meist nicht ausreicht. Dazu präsentiert die B-Zelle das am MHC-II-Protein gebundene Antigen. Über ihr CD4-Molekül, das dabei als Corezeptor fungiert, erkennt die T-Hel· ferzelle das Antigen, was sie aktiviert und die Sekretion von Zytokinen aus· löst. Diese wiederum stimulieren die B-Zelle zur Differenzierung. ..,.. T-Suppressorzellen sind an der Regulation des Immunsystems beteiligt, indem sie Immunantworten von T-Hel· fer-Zellen und B-Lymphozyten unter· drücken. Man vermutet einen Zusammenhang zwischen T-Suppressorzell· Defekten und der Entstehung von Autoimm unerkrankungen.
Theorien zur Spezifität der Lymphozyten Wie bereits gesagt, wird ein Lymphozyt nur durch ein für ihn spezifisches Antigen aktiviert. Dabei entsteht die Spezifität nicht erst nach Kontakt mit einem An· tigen, sondern wird den B· und I-Zellen schon bei ihrer Reifung mit auf den Weg gegeben. Sie wird über die T-Zell· bzw. B-Zell-Antigenrezeptoren (TCR, BCR) vermittelt, die durch Rekombination von Teilgenen (V-, D- und J-Teilgene) eine unglaubliche Vielfalt erreichen. So ist das Immunssystem dazu befähigt, ca. l 0 11 verschiedene Antigene zu erkennen. Dieses Prinzip nennt man somatische Rekombination (s. auch Kap. 106). Ein zweiter Trick, der die gezielte Be· kärnpfung eines spezifischen Eindringlings erleichtert, ist die klonale Selektion: Bei einer Infektion kommt es nur zur Proliferation der für den Keim spezifischen Lymphozyten, da diese erst nach Aktivierung durch Antigenkontakt proliferieren.
Zusammenfassung X Neutrophile Granulozyten und Makrophagen sind Phagozyten, während eosinophile und basophile Granulozyten v. a. über die Ausschüttung
T-Lymphozyten Die I-Lymphozyten sind vorwiegend für die zelluläre Immunantwort verantwortlich. Sie sind für die Abwehr von körperfremden Geweben, Tumorzellen und virusinfizierten Zellen zuständig. Die Reifung der I -Lymphozyten aus ihren Vorläuferzellen (prä-T-Zellen) spielt sich im Thymus ab. Auch T-Lym-
toxischer Substanzen wirken. X 8-Lymphozyten differenzieren nach Antigenkontakt zu Antikörperproduzierenden Plasmazellen. X Von den T-Lymphozyten gibt es verschiedene Subtypen (zytotoxische T-Zelle, T-Helfer-Zelle und T-5uppressorzelle), die jeweils unterschiedlict.le Aufgaben haben. X Sowohl 8- als auch T-Lymphozyten können ein immunologisches Gedächtnis ausbilden.
1orale Abwehr I :=: s: ;:5ßte Teil der humoralen Abwehr wird von Antikörpern
N-terminales Ende
ui:Jernommen. Aber auch einige unspezifische Abwehrpro· teine, wie die Faktoren des Komplementsystems oder die in der Leber gebildeten Akute-Phase-Proteine, unterstützen das Immunsystem bei der Abwehr von Krankheitserregern.
Antigenbindungsstelle Paratop Fab
Antikörper
Antikörper (Immunglobuline) werden von aktivierten B-Lymphozyten, den Plasmazellen, sezerniert. Sie entsprechen dabei den B-Zeli-Antigenrezeptoren (BCR) der Plasmazelle und richten sich nur gegen das für die Plasmazelle spezifische Antigen. Durch Bildung von Antigen-AntikörperKomplexen machen sie die Antigen-tragenden Zellen und Stoffe unschädlich. Struktur
Antikörper sind Glykoproteine, die aus zwei identischen leichten L-Ketten (light chains) und zwei identischen schweren H-Ketten (heavy chains) aufgebaut sind. Weiterhin besitzen die Antikörper einen konstanten und einen variablen Bereich, wobei beide Kettenarten sowohl konstante (C), als auch variable (V) Domänen besitzen. Dieser typische Aufbau lässt sich am besten an einem Beispiel - in diesem Fall ein Immunglobulin G- nachvollziehen (I Abb. I): ~ Die konstanten Regionen legen die biologischen Eigenschaften der Immunglobuline fest. Damit können sie z. B. bestimmte Zellen oder auch Komplementproteine binden. ~ Die variablen Anteile der Antikörper bilden dagegen die Antigenbindungsstellen und sind, wie der Name schon sagt, sehr variabel. Sie machen die Spezifität der Antikörper aus. ~ L-Ketten: Von den L-Ketten gibt es zwei verschiedene Arten (Kund A.). Dabei ist innerhalb eines Immunglobulinmoleküls immer der gleiche L-Kettentyp enthalten. Funktionell unterscheiden sich die beiden L-Kettentypen nicht. ~ H-Ketten: Bei den H-Ketten unterscheidet man 5 verschiedene Typen (a, 8, e, y und Jl ). Jedes Immunglobulin enthält nur einen H-Kettentyp und wird diesem entsprechend in eine der fünf Immunglobulin-Klassen eingeteilt: - IgA---+ a-H-Kette, - IgD ---+ e-H-Kette, - IgE ---+ e-H-Kette, - lgG---+ y- H-Kette, - lgM---+ 11-H-Kette. ~ Die verschiedenen Ketten sind durch Disulfidbrücken miteinander verbunden. ~ Immunglobuline verfügen außerdem über eine Gelenkregion. Wird ein Antikörper in dieser Region gespalten (z. B. durch die Protease Papain), entstehen drei Fragmente: zwei identische F.b-Fragmente [ab steht für antigenbindend) und ein F,-Fragment. Auch Pepsin kann Immunglobuline spalten, allerdings baut es das Fe-Fragment vom C-terminalen Ende her kontinuierlich ab.
C-terminales Ende I Abb . 1: Aufbau eines lgG-Moleküls
Antikörperklassen
Immunglobuline werden nach strukturellen Unterschieden [H-Kettentyp, Zahl und Anordnungder Disulfidbrücken etc.) in fünf Subtypen eingeteilt, die sich auch in ihrem Vorkommen und ihren Eigenschaften unterscheiden. Immunglobulin M Das IgM-Molekül ist ein Pentamer aus fünfY-förmigen Strukturen, die im Aufbau einem IgG-Molekül ähneln und über eine Polypeptidkette []-Kette) miteinander verknüpft sind [I Abb. 2)_ Es ist mit einem Molekulargewicht von 900 000 Dalton das größte Immunglobulin und kann zehn Antigene gleichzeitig binden. Dadurch ist es besonders gut zur Agglutination und Komplementaktivierung befähigt. Eine weitere Besonderheit des IgM ist, dass es als einziges Immunglobulin vom Fetus synthetisiert werden kann. Die Blutgruppenantigene des ABO-Systems gehören zur Klasse der IgM.
- =Disulfidbrücke
I Abb. 2: Immunglobulin M
Immunsystem
Immunglobulin G Das lgG ist typischerweise Y-förmig und verfügt über zwei Antigenbindungsstellen (I Abb. 1). Es ist mit einer Serumkonzentration von 12 mg/ml das häufigste im Blut vorkommende Immunglobulin. Man unterscheidet fünf lgG-Typen mit unterschiedlichen biologischen Eigenschaften (IgG 1-IgG5) . IgG ist der einzige plazentagängige Antikörper und verleiht dem Fetus auf diesem Wege einen Nestschutz, was allerdings auch Nachteile mit sich bringen kann (z. B. die Entstehung einer Rhesusunverträglichkeit, s. Kap. 11 0). Aufgrund seiner langen Halbwertszeit (HWZ) von etwa 23 Tagen eignet sich lgG bestens zur passiven Immunisierung. Immunglobulin G ist ein multifunldoneller Antikörper mit zahlreichen Wirkweisen (I Tab. 1). Immunglobulin A Immunglobulin A ist nur als Dimer, in dem zwei !gA-Monomere über eine J- und eineS-Kette miteinander verbunden sind, biologisch aktiv. Es kommt in dieser Form hauptsächlich in Sekreten wie Schleim, Speichel, Tränenflüssigkeit und Darmsekret vor und ist auch in der Muttermilch enthalten. Es wirkt agglutinierend, bakterizid und antiviral, kann aber kein Komplement aktivieren. Immunglobulin E Immunglobulin E ist neben der Bekämpfung von Parasiten auch an der Entstehung von Allergien beteiligt. Es bindet mit seinem Fe-Teil an Mastzellen und basophile Granulozyten und verbleibt dort monatelang, bis es durch ein Antigen aktiviert wird. Geschieht dies, so stimuliert lgE die Mastzelle bzw. den Basophilen zur Degranulation. Die sezernierten Stoffe, insbesondere Histamin, lösen eine Überempfindlichkeitsreaktion aus.
Molekulargewicht (Da)
HWZ(Tage)
lgM
900 000 (Pentamer)
5
lgG
150000
23
lgA
400 000 (Dimer)
lgE
200 000
lgD
180000
5,5
Immunglobulin D Die Funktion des IgD ist weitgehend unbekannt. Man weiß allerdings, dass es als Oberflächenrezeptor an der Differenzierung von B-Lymphozyten beteiligt ist. Funktion der Antikörper
Wie schon aus I Tabelle 1 ersichtlich, wirken Antikörper auf verschiedene Weisen antimikrobielL Sie können über ihren F.b-Teil an Antigene binden und zu einer Bildung von Antigen-Antikörper-Komplexen führen. Dadurch bewirken sie eine direkte Inaktivierung der Antigene. Kommt es dabei zu einer Verklumpung korpuskulärer Antigene, nennt man den Prozess Agglutination. Der Begriff Präzipitation bezeichnet die Verklumpung und anschließende Ausfällung löslicher Antigene. Antikörper können auch Toxine neutralisieren oder Rezeptoren für Erreger blockieren, wodurch deren Eindringen in Körperzellen verhindert wird (Neutralisierung). Weiterhin können Antikörper andere Komponenten des Immunsystems aktivieren und Antigen-tragende Stoffe dadurch indirekt bekämpfen. Diese Funktion wird nach Antigenerkennung über den Fe-Teil der Antikörper vermittelt. So können auf diese Weise z. B. Mastzellen, basophile und eosinophile Granulozyten zur Degranulation angeregt werden (lgE). IgG ist in der Lage, Antigene zu binden und dadurch Phagozyten anzulocken. Es macht ihnen die Antigene dadurch besonders "schmackhaft", was man als Opsonierung bezeichnet. Auch zytotoxische T-Zellen können durch IgGmarkierte Zellen aktiviert werden. An der Aktivierung des Komplementsystems sind verschiedene Antikörperklassen beteiligt (I Tab. 1).
Wirkweisen
Besonderheiten
Blut
Agglutinierend, komplementaktivierend, antibakteriell
Frühphase der Immunantwort
BI ut, Gewebe
Agglutinierend, opsonierend, komplementaktivierend,
Plazenta-gängig, für passive lmmunisie-
antibakteriell, antiviral, Antitoxin-Wirkung
rung geeignet
Vorkommen
Sekrete (Blut)
Agglutinierend, antibakteriell, antiviral
Kommt v. a. in Sekreten vor
Auf Mastzellen und
Komplementaktivierend (Mastzelldegranulation)
Gegen Parasiten, löst Unverträglichkeilsreaktionen aus
Basophilen
I
Tab.
2,7
1: Überblick über die Antikörperklassen
1041 105
Aul B-Zellen
B-Zeii-Oifferenzierung
Humorale Abwehr II Ursachen der Antikörpervielfalt
Es gibt eine große Anzahl unterschiedlicher Antikörper, die jeweils gegen ein für sie spezifisches Antigen gerichtet sind. Die Spezifität eines Antikörpers wird dabei durch seinen vari· ablen Teil (F,b) determiniert und ist schon festgelegt, bevor überhaupt ein Kontakt mit einem Antigen stattgefunden hat. Vielmehr regt ein Antigen nur diejenigen B·Lymphozyten zur Proliferation und Antikörperproduktion an, die auch genau zu diesem Antigen passen (klonale Selektion). Nun stellt sich aber die Frage, wie diese unglaubliche Anti· körpervielfai r zustande kommt. Immerhin ist der Körper dazu in der Lage, ca. 10 11 verschiedene Antigene zu erken· nen, während er aber nur über eine begrenzte Anzahl an Genen verfügt, die für B·Zell·Rezeptoren bzw. Antikörper kodieren. Somatisc he Rekom binati on
Neben den normalen Keimbahnmutationen und ·rekombina· tionen, tritt bei der B·Zell·Reifung noch eine weitere Art von Rekombination auf: die so matische Rekombination (Trans· position, Rearrangement). Hierbei kommt es zu einer Umla· gerung von Teilgenen auf DNAEbene. Die genetischen Infor· mationen für die Antigenrezeptoren bzw. Antikörper sind auf zum Teil weit auseinander liegende Genabschnitte, die V-, D- und J-Teilgene (v für variables, d für diversity· und j für joining·Gensegment) verteilt. Erst durch Kombination dieser Teilgene durch einen dem Spleißen ähnlichen Vorgang entsteht ein funktionierendes Gen. Aufgrund der zahlreichen Kombinationsmöglichkeiten kommt eine Vielfalt an für Anti· körperkodierenden Genen zustande. Der Mechan ismus lässt sich am besten mithilfe einer Grafik nachvollziehen (I Abb. 3). Hier sieht man, dass aus dem ur· sprünglichen Genpool während der (Antigen-unabhängigen ) Lymphozytenreifung Genabschnitte herausgetrennt werden, so dass von den zahlreichen verschiedenen Y., D· und )-Teil· genenjeweils nur eines übrig bleibt. Die fertigen Leichtket· tengene (insgesamt 316 verschiedene) setzen sich nur aus V· und J·Teilgenen zusammen, die Gene für die schweren Ketten (8262 Möglichkeiten) enthalten zusätzlich noch ein D·Teilgen. Nur das Gen fDr die variable (V-)Reglon des Antikörpers wird durch somatische Rekombination zusammengesetzt. Für die C-Region codiert nur ein c-Gensegment
Weitere Urs achen für die Antikörpe rvielfalt Neben der Rekombination von Y., (D·) und)-Teilgenen
kommt die Antikörpervielfalt durch Kombination der unter· schiedlichen H· und L·Ketten, die ja willkürlich miteinander verknüpft werden können, sowie durch Keimbahnmutation und -rekombination, durch Ungenauigkeiten beim Spleißen und durch somatisc he Punktmutationen zustande. Allein bei der Kombination von H· und L-Ketten erhält man 316 x 8262, also 2,6 x 10° verschiedene Möglichkeiten.
5'
3'
somatische Rekombinati on V( D)J-Rekom bi nase
zah lre iche Kombinationsmög lichkeiten
5'{]{)fr3' 5'{]{)fr3' 5'{]{)fr 3'
etc .
I Ab b. 3: Pri nzip der somatischen Rekombinati on durch V(D)J-Rek ombination
Antikörperswitch
Plasmazelle n synthetisieren als erstes lgM und erst später lgG, IgA oder lgE. Den Wechsel der von einer B·Zelle produzierten Immunglobulinklasse bezeichnet man als Switch. Dabei wird nur die konstante Region ausgetauscht, der antigenbindende Anteil und die Spezifität bleiben erhalten. Dem Ig-Switch liegen ebenfalls das Prinzip der somatischen Rekombination sowie Spleiß-Effekte zugrunde. Ein lg-Swltch ist nur möglich, wenn es sich bei dem entspre-,
ehenden Antigen um ein Peptid handelt.
Komplementsystem
Das Komplementsystem ist eine Komponente der unspezi· fischen, humoralen Abwehr. Es besteht aus ca. 20 Glykoproteinen mit Enzymfunktion, die kaskadenartig über limitierte Proteolyse aktiviert werden und eine Zerstörung der Zell· membran der körperfremden oder infizierten Zelle zum Ziel haben. Einige der Komplementfaktoren können zusätzlich bestimmte Zellen aktivieren oder eine Entzündungsreaktion hervorrufe n. Prod uktionsstätte der Komplementfaktoren sind die Leber, Mukosazellen des Magen-Darm-Traktes und Phagozyten. Neun Hauptkomponenten sind an der Aktivierung des Korn. plementsystems beteiligt (C 1- C9). Die übrigen Proteine sind hauptsächlich für die Regulierung des Komplementsystems verantwortlich. Komplementaktivierung
Das Komplementsystem kann auf zwei Wegen aktiviert werden:
Immunsystem
l
~~~--------------------------------------------------------~~~~~~ .,. Der klassische Weg wird durch ein komplementaktivierendes Immunglobulin (v. a. lgM und IgG), das ein Antigen gebunden hat, begonnen. Durch Ausbildung des Antigen-Antikörper-Komplexes wird die Komplement-Bindungsstelle am Fe·Teil des Antikörpers aktiviert, was wiederum die Komplementkaskade startet. Die Einzelkomponenten werden nacheinander in der Reihenfolge C1 ~ C4 ~ C2 ~ C3 ~ CS ~ C6 ~ C7 ~ C8 ~ C9 aktiviert. .,. Beim alternativen Weg der Komplementaktivierung werden die Fak· toren CI, C4 und C2 umgangen, und stattdessen C3 direkt aktiviert. Von da an läuft die Kaskade analog zum klassischen Aktivierungsweg ab. Der alternative Weg spielt vor allem in der Frühphase einer In fe ktion eine Rolle, er läuft schon ab, bevor eine spezifische Immunreaktion stattfindet. C3 wird dabei durch Endotoxine aus der äußeren Zellmembran gramnegativer Bak· terien aktiviert, bei denen es sich vorwiegend um Polysaccharide und Lipopolysaccharide handelt. An diesem Weg sind außerdem Plasmafaktoren (Faktor Bund D) und das Protein Properidin beteiligt. .,. Die gemeinsame Endstrecke der beiden Komplementaktivierungssysteme wird auch als Membranangriffskomplex (= MAC) oder lytischer Komplex bezeichnet. Er verursacht Löcher in der Membran der Zielzelle, die durch den Einstrom von Wasser, Ionen und Enzyme zerstört wird (Lyse ). Zum Membranangriffskamplex zählt man die Faktoren CSb, C6, C7, C8 und C9. Weitere Funktionen der Komplementfaktoren
Wie schon erwähnt, nehmen einige der Hauptfaktoren des Komplementsystems auch andere Aufgaben als die Aktivierung und Bildung des Membranangriffskomplexes wahr. So verursachen die Faktoren C3a, C4a und CSa beispielsweise eine Entzündungsreaktion, weshalb man sie auch als Anaphylatoxine bezeichnet. Sie führen zu einer Kontraktion der glatten Muskulatur an den postkapillären Venolen, was mit der Ausbildung eines Erythems und Ödems
einhergeht, sowie an den Bronchien, wodurch es zum Bronchospasmus kommt. Andere durch Anaphylatoxine ausgelöste Reaktionen sind eine Erhöhung der Gefäßpermeabilität, Mastzelldegranulation und Chemotaxis. C3b wirkt zusätzlich opsonierend. Es stimuliert Neutrophile, Eosinophile, Monozyten und Makrophagen zur Phagozytose. Akute-Phase-Proteine
Als Akute-Phase-Proteine bezeichnet man eine Gruppe von Plasmaproteinen, die als Folge entzündlicher Vorgänge vermehrt gebi ldet werden. Ihre Plasmakonzentration steigt innerhalb der ersten 6-48 Stunden nach Gewebsschädigung an und kann ein I OOOfaches der Ausgangskonzentration erreichen. Der Mechanismus dabei ist folgender: Durch eine Verletzung oder Infektion Funktion
Fibrinogen
Gerinnungsneigung
106
I
107
werden die lokalen Gewebszellen zur Ausschüttung von proinflammatorischen Zytokinen, insbesondere Interleukin-1 (IL-I), Interleukin-6 (IL-6) und Tumor-Nekrose-Faktor a (TNF-a), angeregt. Diese führen sowohl zu einer lokalen Entzündungsreaktion als auch zu systemischen Veränderungen. Im Hypothalamus führen sie zu einer Temperatur-Sollwertverstellung, wodurch es zu Fieber kommt, in der Leber ind uzieren sie die Synthese der Akute-PhaseProteine. I Tabelle 2 liefert eine Übersicht über die wichtigsten Akute-PhaseProteine und ihre Funktion. Neben den Akute-Phase-Proteinen, deren Konzentration bei Entzündungsreaktionen erhöht ist, gibt es die sog. negativen Akute-Phase-Proteine, deren Konzentration irrfolge von Gewebsschäden und Infektionen sinkt. Dazu gehören u. a. (Prä- )Albumin, Transferrin und Antithrombin III. Bedeutung für die Infektabwehr
i
Thrombenbildung verhindert Ausschwemmung der
Erreger in die Blutbah n
a 1-Antitrypsin
Protease-Inhibitor
Reduktion der Gewebsschäden
C-reaktives
Bindet an bakterielles Phosphocholin
Opsonierung, Komplementaktivierung
Protein (CRP) Haptoglobin
Hämoglobintransport
Schutz vor Eisenverlust bei intravasaler Hämolyse durch Transport von freiem Hb ins retikuloendotheliale System
Coeruloplasmin
Kupfertransport, Ferroxidase-Aktivität
Schutz der Zellmembranen vor Oxidation
C3, C4
Komplementfaktoren
Opsonierung, Chemotaxis, MAC
Plasminogen
Fibrinolyse t
Schutz vor überschießender Gerinnung
Ferritin
Eisenspeicher
I Tab. 2: Beispiele für Akute-Phase-Proteine und ihre Funktion
Zusammenfassung X Antikörper machen den humoralen Teil der spezifischen Abwehr aus. Sie werden von Plasmazellen gebildet wnd wirken spezifisch gegen ein Antigen. X Antikörper kann man nach ihrer Struktur in fünf Immunglobulinklassen (lgM, lgG, lgA, lgE und lgD) unterteilen. X Das Komplementsystem kann über einen klassischen oder einen alternativen Weg aktiviert werden. Beide Wege gipfeln in der Bildung eines Membranangriffskomplexes, der zur Lyse der Zielzelle führt. X Akute-Phase-Proteine werden in der Leber gebildet_ Ihre Konzentration ist bei Entzündungsprozessen erhöht bzw. bei negativen Akute-PhaseProteinen erniedrigt.
Antigene Antigene sind Substanzen, an die Lymphozyten oder Anitkörper, also alle Komponenten der spezifischen Abwehr, binden können. Dabei wird meist nur ein kleiner Teil des Antigens als fremd erkannt, den man als Epitop oder antigene Determinante bezeichnet An dieses Epitop bindet ein Antikörper mit seiner Antigenbindungsstelle (Para top lEinteilung und Eigenschaften
Man kann Antigene nach verschiedenen Kriterien einteilen. Zunächst einmal ist es interessant zu wissen, ob ein Antigen überhaupt dazu imstande ist, eine Immunreaktion auszulösen_ Ist dies der Fall, bezeichnet man es auch als Immunogen. Weiterhin unterteilt man Antigene nach der Form und Anzahl der Epitope, nach seiner chemischen Klasse und danach, ob sie thymusabhängig oder thymusunabhängig sind_ Einteilung nach Form und Anzahl der Epitope ..,. Besitzt ein Antigen ein einziges Epitop, so bezeichnet man es als unideterminant, univalent ..,. Trägt das Antigen zwar nur eine Epitopart, die aber multipel vertreten ist, so ist das Antigen unideterminant, multivalent. ..,. Sind auf einem Antigen zwar viele verschiedene Arten von Epitopen vertreten, wobei aber jede Epitopart nur ein einziges Mal vorkommt, dann bezeichnet man das Antigen als multideterminant, univalent ..,. Ein Antigen mit vielen verschiedenen Epitoparten, von denen jeweils mehrere vorhanden sind, nennt man multideterminant, multivalent. Einteilung nach der Stoffklasse: Hauptantigenklassen Antigene können Substanzen aus den verschiedensten Stoffklassen sein_ Die Stoffklasse sagt dabei auch etwas über die Fähigkeit zur Immunogenität eines Antigens aus. So sind Kohlenhydrate (Polysaccharide) potenziell , aber nicht zwingend immunogen, während Proteine dagegen sehr gute lmmunogene darstellen, v. a. wenn es sich um komplexe Proteine handelt Oft sind diese
multideterminant. Nukleinsäuren sind nur schwach immunogen wirksam und Lipide noch schlechter oder oft sogar gar nicht immunogen. Thymusabhängigkeit von Antigenen Nur wenige Antigene sind sog. Thymus-unabhängige Antigene, d.h. sie können B-Lymphozyten auch ohne Mithilfe der im Thymus gereiften T-Helferzellen stimulieren. Die wenigen Thymus-unabhängigen Antigene sind oft Substanzen mit hohem Molekulargewicht Auf deren Stimulation hin produziert die Plasmazelle nur Antikörper der !gM-Klasse. Die meisten Antigene benötigen allerdings zur B-Zeii-Stimulation gewisse Reize von T-Helferzellen, sie sind demnach Thymus-abhängig.
Antigen-abhängige Immunreaktionen Voraussetzungen für lmmunogenität Um eine Immunreaktion auslösen zu können, muss ein Antigen bestimmte Eigenschaften aufweisen. Ein hohes Molekulargewicht von mindestens 6000 Dalton begünstigt die Immunogenität eines An tigens_ Antigene, die ein geringeres Molekulargewicht haben, sind meist nur über Bindung an ein Trägermolekül immunogen (Haptene). Auch eine hohe chemische Komplexität eines Antigens begünstigt die Auslösung einer Immunantwort Körpereigene Strukturen werden vom Immunsystem normalerweise nicht angegriffen, außer sie wurden vorher als infiziert oder fehlerhaft markiert Körperfremde Strukturen dagegen lösen üblicherweise eine gute Immunreaktion aus _
Interaktionen zwischen Antigen und Immunzellen Das Antigen kann über verschiedene Wege in den Organismus eindringen (Blut, Haut, Magen-Darm-Trakt, Atemwege) . Je nach Eindringpforte geschieht der erste Kontakt mit dem Immunsystem in der Milz, den lokalen Lymphknoten oder den Tonsillen. Die Immunantwort erfolgt dort durch Makrophagen, T und B-Zellen und verläuft in drei Schritten:
..,. Nach Bindung des Antigens an T- und B-Lymphozyten präsentiert die B-Zelle das Antigen einer T-Helferzelle_ Diese stimuliert mittels Zytokinen die B-Zelle zur Differenzierung zur Plasmazelle_ ..,. B-Lymphozyten differenzieren zu Plasma- und Gedächtniszellen, T-Zellen zu zytotoxischen Zellen, Suppressorund Helferzellen. ..,. Die produzierten Antikörper reagieren schließlich mit den Antigenen zu Agglutinaten und Präzipitaten. Spezielle Antigene MHC-Antigene
Nahezu jede Zelle des menschlichen Organismus trägt auf ihrer Zelloberfläche MHC-Moleküle. MHC-Moleküle können Antigene erkennen, binden und anderen Zellen präsentieren. Allerdings haben MHC-Moleküle selbst antigene Eigenschaften, was klinisch in der Transplantationschirurgie von großer Bedeutung ist MHC-Antigene sind als erstes im Rahmen von Abstoßungsreaktionen nach Organtransplantationen aufgefallen, was ihnen den Namen "major histocompatibility complex" eingebracht hat, da sie etwas über die Verträglichkeit verschiedener Gewebe aussagen. Eine andere Bezeichnung für die MHC-Moleküle ist HLA-Antigene (humane lymphocyte/leucocyte antigene). Sie weist auf die besondere Bedeutung der MHCMoleküle auf den Leukozyten hin. MHC-An tigene sind Glykoproteine, die aus zwei Polypeptidketten bestehen und fest in der Zellmembran verankert sind_ Die Gene, die für die MHC-Moleküle kodieren (HLA-Genkomplex: HLA-A I HLA-B, HLA-C, HLA-DO, HLA-DR,
~------------------------------------------------------~l~m~m~u~n~sy~s~t~e~m HLA-DP) weisen eine unglaubliche interindividuelle Variabilität auf. Somit kommen exakt gleiche Zusammensetzungen an MHC-Molekülen praktisch nur bei eineiigen Zwillingen vor. Man kann die MHC-Antigene ihrer Funktion und ihrem Vorkommen nach in zwei Klassen unterteilen. MHC-Kiasse I Für MHC-1-Proteine kodieren die Gene HLA-A, HLA-B und HLA-C. Praktisch alle kernhaltigen Zellen tragen an ihrer Oberfläche MHC-Proteine der Klasse I. An den MHC-1-Molekülen präsentieren sie den zytotoxischen I-Zellen Peptidfragmente von Proteinen, die in der Zelle selbst produziert worden sind. Diese können entweder körpereigen oder körperfremd sein. Letzteres kommt vor, wenn die Zelle durch einen intrazellulären Erreger (z. B. Virus) befallen ist und beispielsweise virale Peptide an seinem MHC-1-Molekül präsentiert. Das fremde Peptid wird von I-Killerzellen erkannt, die daraufhin die Vernichtung der Zelle initiieren. Trägt die Zelle nur körpereigene, korrekte Peptide, passiert ihr nichts. Die Bindung zwischen dem MHC-1-Molekül und dem I-ZellRezeptor muss durch den CD8-Corezeptor stabilisiert werden.
MHC-Kiasse II Die MHC-Antigene der Klasse li kommen nur auf Antigen-präsentierenden Zellen (dendritische Zellen, B-Zellen, Makrophagen) vor und werden durch die Gene HLA-DP, HLA-DO und HLA-DR kodiert. Die Antigen-präsentierende Zelle nimmt exogene Antigene (z. B. extrazelluläre Erreger) auf und spaltet diese in Phagolysosomen, um die entstehenden Peptidfragmente an den MHC-II-Molekülen zu präsentieren. Im Gegensatz zur MHC-1-Klasse werden sie aber nicht den T-Killerzellen, sondern den T-Helferzellen präsentiert, was nicht
zur Zerstörung der präsentierenden Zelle, sondern vielmehr zu deren Stimulation führt. B-Zellen werden so zur Alltikörperproduktion und Makrophagen zur Phagozytose stimuliert. Als Corezeptor bei der Bindung zwischen MHC-II-Protein und T-Zell-Rezeptor dient das CD4. MHC-1-Moleküle interagieren mit CD8Zellen, MHC-11-Moleküle mit CD4-Zellen. Um sich das besser merken zu können, gibt es eine Eselsbrücke: 1 x 8 • 8 und 2 x 4 '" 8.
Blutgruppenantigene Die Erythrozyten haben auf ihrer Zelloberfläche noch andere Arten von Antigenen, die Blutgruppenantigene. Deren Zusammensetzung bestimmt die Blutgruppe eines Menschen, allerdings unterscheidet man dabei mindestens 15 verschiedene Blutgruppensysteme. Die beiden wichtigsten sind das ABOund das Rhesus-System. ABO-System Die Antigene des ABO-Systems sind Glykoproteine, ausschlaggebend für die Blutgruppe ist jedoch nur der terminale Zucker der Polysaccharidkette. Der proteinnahe Teil der Polysaccharidkette ist bei allen ABO-Antigenen gleich, er bildet demnach das Grundgerüst und wird als H-Substanz (H für humane) bezeichnet. An die H-Substanz, deren Ende ein Galaktose- und ein Fucosemolekül (-Gal-Fuc) bilden, kann entweder ein N-Acetyl-Galaktosamin-Rest (NAGA),
108
I
109
ein Galaktose-Rest (Ga!) oder kein weiterer Zuckerrest gebunden sein. Je nachdem bezeichnet man die Blutgruppe als A (NAGA), B (Ga!) oder 0. Kommen auf den Erythrozyten sowohl NAGA- als auch Gal-Reste vor, so liegt die Blutgruppe AB vor. Jeder Mensch hat Antikörper gegen fremde Blutgruppenantigene, die sog. lsohärnagglutinine, auch wenn er vorher noch nie Kontakt mit fremden Erythrozyten gehabt hat. Ursache dafür ist, dass bestimmte Bakterien der physiologischen Darmflora mit den Blutgruppenantigenen kreuzreagieren. Die Isohämagglutinine gehören der IgM-Klasse an, ein Antikörperswitch ist nicht möglich, da die BlutgruppenAntigene keine Peptid-, sondern Zuckerreste sind. Das ABO-System ist für lebensbedrohliche Transfusionszwischenfälle verantwortlich (s. Kap. 11 0). Rhesus-System Beim Rhesus-System wird unterschieden, ob jemand Träger des Rhesus-Antigens (Antigen D) ist, oder nicht. Etwa 85%der Menschen hierzulande sind Rhesus-positiv (Rh+), d. h. ihre Erythrozyten tragen das D-Antigen. Rhesus-negative (rh-) Menschen können Antikörper gegen das Rhesus-Antigen ausbilden, im Gegensatz zum ABO-System ist hierfür aber der vorausgegangene Antigenkontakt Voraussetzung. Anti-DAntikörper gehören zur Klasse der IgG und sind damit plazentagängig, was zu Schwierigkeiten in der Schwangerschaft führen kann (s. Kap. 110).
Zusammenfassung • Einige AntigeRe sind gleichzeitig lmmunogene, d. h. sie lösen eine Immunreaktion aus. • Je größer (Molekulargewicht!), je komplexer und je körperfremder ein Antigen ist, desto wahrscheinlicher ist die lmmunogenität. • Haptene können erst nach Bindung an ein Carrier-Molekül eine Immunreaktion auslösen. • MHC-Antigene sind Oberflächenmerkmale auf Körperzellen. MHC-1Antigene dienen der Identifikation aller kernhaltigen Zellen und können zytotoxische T-Zellen aktivieren. MHC-11-Antigene helfen den Antigenpräsentierenden-Zellen bei der Aktivierung von T-Helferzellen. • Die wichtigsten Blutgruppensysteme sind das ABO- und das Rhesus-System.
Rolle des Immunsystems in der Klinik Immunpathologie Allergie
Ein gut funktionierendes Immunsystem schütze unseren Körper vor Infektionen und ist für uns somit hilfreich und notwendig. Allerdings können überschießende Immunreaktionen auch krank machen. Eine Überempfindlichkeitsreaktion (Allergie) wird durch Antikör· perder Klasse IgE in Zusammenarbeit mit Zellen der unspezifischen Abwehr (Mastzellen, Basophile, Eosinophile) ausgelöst. Diese Zellen bewirken normalerweise durch Sekretion proinflammatorischer Stoffe eine Entzündungsreaktion, die das spezifische Immunsystem bei der Erregerbekämpfung unterstützt. Eine übersteigerte Entzündungsreaktion als Antwort auf ein eigentlich ungefährliches Antigen [Allergen) bezeichnet man als Allergie. Nach Erstkontakt mit einem Allergen produzieren B-Zellen IgE-Antikörper gegen dieses (Sensibilisierungsphase). Die Antikörper heften sich an die sekretorischen Zellen der unspezifischen Abwehr und stimulieren diese nach erneutem Al lergen-Kontakt zur Degranulation mit Freisetzung von Entzündungsmediatoren. Im schlimmsten Fall kann eine solche Reaktion zum anaphylaktischen Schock führen, der tödlich enden kann. Autoimmunerkrankungen
Autoimmunkrankheiten kommen dadurch zustande, dass sich das Immunsystem gegen körpereigene Substanzen (Autoantigene) richtet und zu Gewebsschädigungen führt. Dabei können sich die Schäden entweder auf ein Organ begrenzen oder systemische Reaktionen zur Folge haben. Beispiele für Autoimmunerkrankungen sind: IJl- Diabetes mellitus Typ 1: Autoantikörper gegen ß-Zellen des Pankreas, IJl- Morbus Basedow: Autoantikörper gegen den TSH-Rezeptor der Schilddrüse, IJl- Myasthenia gravis: Autoantikörper gegen Acetylcholin-Rezeptoren der motorischen Endplatte,
IJl- Lupus erythematodes: Autoantikörper gegen DNA-Fragmente (syseemisch), IJl- Rheumatoide Arthritis: lgG-Autoantikörper gegen den Fe-Teil der lgM-Antikörper (systemisch) .
Blutgruppenunverträglichkeit Tra nsfu sionsz wi sc henfäll e Soll jemand eine Bluttransfusion erhalten, so ist es zwingend notwendig, dass vorher die Kompatibilität beider Blutgruppen (insbesondere der ABO-Blutgruppen!) überprüft wird. Erhält der Empfänger Erythrozyten, gegen die er Antikörper besitzt, so kann dies weit reichende Folgen haben. Es kommt dabei zur Bildung von Antigen-Antkörper-Reaktionen zwischen den Spendererythrozyten und den ABO-An tikörpern des Empfängers (Major-Reaktion), was zur Agglutination und Lyse der Erythrozyten führt. Das Gleiche gilt natürlich umgekehrt auch für den Kontakt zwischen Empfängererythrozyten und gegen diese gerichtete Antikörper aus Fremdplasma (Minor-Reaktion) . Folgen sind Mikrozirkulationsstörungen, Schock, Verbrauchskoagulopathie sowie akutes Nierenversagen. Um dies zu vermeiden, ist unmittelbar(!) vor jeder Transfusion ein Bedside-Test anzuwenden, bei dem die Blutgruppe des Empfängers untersuche und mit der Blutgruppe der Konserve abgeglichen wird. I Tabelle I gibt eine Übersicht über die Kompatibilität der verschiedenen Blutgruppen bei der Transfusion von Erythrozytenkonzentraten. Mo rbus haemolytic us neon atorum Ist eine Rhesus-negative Frau mit einem Rhesus-positiven Kind schwanger, kann es zu einer Rhesusunverträglichkeitsreaktion (Rhesusinkompatibilität) kommen. Beim ersten Kind ist das Risiko noch gering, da die Mutter im Normalfall bisher noch keinen Kontakt mit Rh-positiven Erythrozyten gehabt hat. Während der Geburt des ersten Rhpositiven Kindes durch die Rh-negative Mutter vermischt sich das JQndliche mit dem mütterlichen Blut (Erstkontakt), woraufhin die Mutter Antikörper (lgG)
Spenderblutgruppe
Empfängerblutgruppe
(Erythroz)•lenspende)
+ =Transfusion möglich
·::: Transfusion nicht möglich
A
B
0
+
+
A
+
0
B
AB
+ +
+
AB I Ta b. 1: Blutgruppenkompatibil ität bei Erythrozyte nspende
gegen den Rh-Faktor bildet. Wird sie erneut mit einem Rh-positiven Kind schwanger, können die lgG-Antikörper gegen das D-Antigen ungehindert die Plazentaschranke passieren und die JQndlichen Erythrozyten "angreifen". Es kommt beim Fetus zur Hämolyse und zum lebensbedrohlichen Krankheitsbild des Morbus haemolyticus neonatorum, gegen das ggf. noch intrauterin mittels einer Austauschtransfusion vorgegangen werden muss. Transplantatabstoßung
Nach einer Organtransplantation kann es zu einer Abstoßungsreaktion des Immunsystems des Empfängers gegen das transplantierte Organ kommen ("host versus graft"). Dies versucht man durch eine höchstmögliche Übereinstimmung zwischen den MHC-Antigenen von Spender und Empfänger (s. Kap. I08) und die Gabe von Immunsupressiva zu vermeiden. Nach allogenen Knochenmarks- oder Stammzelltransplantationen können gelegentlich auch Graft-versus-Host-Reaktionen beobachtet werden, bei denen sich die T-Lymphozyten aus dem Transplantat gegen den Empfängerorganismus richten. Immunsuppressiva
Unter der Gruppe der Immunsuppressiva fasst man verschiedene immunmodulierende Medikamente zusammen die eine überschießende lmmunreak: tion verhindern sollen. Sie werden zur Therapie allergischer Reaktionen und Autoimmunerkrankungen und zur Prophylaxe von Transplantatabstoßungen
L
Immunsystem
~~--------------------------------------------------~~~~~~ eingesetzt. Der prominenteste Vertreter ist Kortison, das durch Hemm ung der Lymphozytenproliferation immunsuppressiv wirkt. Andere Beispiele für Immunsuppressiva sind das Purinanalogon Azathioprin, das Folsäureanalogon Methotrexat und Antikörper gegen proinflammatorische Zytokine (sog. Biologicals), wie z. B. Rituximab (Anti-CD20 Antikörper). Immunologische Testmethoden
In der klinischen Diagnostik hat man sic h manche Eigenschaften unseres Immunsystems zunutze gemacht und verschiedene immunologische Nachweisverfahren entwickelt. Die meisten dieser serologischen Testmethoden basieren auf der Ausbildung von AntigenAntikörper-Komplexen und ermöglichen einen qualitativen und/ oder quantitativen Nachweis von Antikörpern im Blut. Man unterscheidet hierbei vor allem Agglutinationsmethoden, Immunpräzipitationsmethoden und enzymologisclle und radioimmunologische Tests. Agglutinationsmethoden
Ein Agglutinat entsteht, wenn Antigentragende Zellen auf die entsprechenden Antikörper treffen und es daraufhin zu einer Verklumpungsreaktion kom mt. Diese Verklumpung wird dann als Agglutinat bezeichnet. Der sog. Coombs-Test beruht auf der Ausbildung solcher Agglutinate. Er dient den Klinikern zum Nachweis spezieller Immunglobuline und basiert auf Antikörpern, die gegen die nachzuweisenden Immunglobuline gerichtet sind (Anti-Immunglobulin-Test). Er wird vor allem für den Nachweis von IgG-Antikörpern gegen Erythrozyten verwendet, z. B. zum Nachweis von Rh-Antikörpern der Mutter im Rahmen einer Rhesusinkompatibilitätsreaktion. ~
Der direkte Coombs-Test dient dem Nachweis (z. B. auf Erythrozyten) gebundener Antikörper aus Patientenblut mittels gelöster Antikörper aus einem Test-Serum, dem sog. CoombsSerum.
IJJ> Der indirekte Coombs-Test dient dem Nachweis von freien Antikörpern im Patientenserum mittels spezieller Testerythrozyten, die definierte Oberflächenmerkmale aufweisen, gegen die die nachzuweisenden Immunglobuline gerichtet sind.
Immunpräzipitatio n
Präzipitate sind unlösliche Komplexe, die entstehen, wenn Antigene und Antikörper in speziellen Lösungen aufeinandertreffen. Da es nur bei annähernd gleichen Konzentrationen der Antigene und Antikörper zu ausgeprägter Präzipitatbildung kommt, dient diese Methode nicht nur dem qualitativen, sondern auch dem quantitativen Nachweis von Antikörpern.
Enzymologische und radioimmunologische Tests
Auch diese Testverfahren, die sog. Absorbent Tests, dienen dem Nachweis spezifischer Antikörper. Die entsprechenden Antigene liegen bei all diesen Methoden fest an eine Oberfläche gebunden vor. Zwei wichtige Vertreter dieser Gruppe sind der Enzyme Linked Immunosorbent Assay (ELISA) und der Radioimmunassay (RIA), die sich in ihrem Versuchsaufbau ähneln.
110
I
111
EUSA und RIA lassen sich zur Diagnostik nahezu aller Infektionskrankheiten anwenden, so z. B. auch zum Nachweis einer HIV- oder Hepatitis-Infektion.
ELISA Das Antigen, gegen das die nachzuweisenden Antikörper gerichtet sind, ist fest auf einer Trägerplatte gebunden. Nach Hinzufügen von Patientenserum kommt es- falls die gesuchten Antikörper vorhanden sind - zur Ausbildung von Anti· gen-Antikörper-Komplexen. Als Nächstes gibt man Anti-Antikörper hinzu, die mittels eines Enzyms markiert sind und sich an die F,-Region der Serum-Antikörper anlagern. Um diese Immunkomplexe sichtbar zu machen, gibt man nun ein Substrat hinzu, das bei seiner Umsetzung durch das Enzym eine Farbreaktion hervorruft. Durch Photometrie kann diese Farbreaktion genau gemessen werden. Radioimmunassay Der Versuchsaufbau gleicht dem ELISA, allerdings mit dem Unterschied, dass statt enzymmarkierter Antikörper radioaktiv-markierte Antikörper hinzugefügt werden. Durch Messung der Strahlungsaktivität der Antigen-AntikörperKomplexe können die gesuchten Antikörper bzw. Antigene qualitativ und quantitativ bestimmt werden.
Zusammenfassung • Eine Allergie ist eine Überempfindlichkeitsreaktion des Immunsystems gegen ein ungefährliches Antigen (Allergen). • Bei Autoimmunerkrankungen richtet sich das Immunsystem gegen körpereigene Substanzen (Autoantigene). • Bei Bluttransfusionen muss unbedingt darauf geachtet werden, dass die Spender- und Empfängerblutgruppen kompatibel sind, da sonst gefährliche Unverträglichkeitsreaktionen auftreten können. X Der Coombs-Test ist eine Agglutinationsmethode zum Nachweis von Antikörpern, insbesondere gegen Erythrozyten. • ELISA ist eine wichtige Nachweismethode für die meisten Infektionskrankheiten.
Blut- Grundlagen Im Körper des Menschen zirkulieren ca. 4- 6 Liter Blut, was ungefähr 7- 8% seines Körpergewichtes ausmacht. Kleinere Blutverluste (bis ca. einem Liter) kann der Organismus ohne Schäden vertragen, ab einem Verlust von ca. 30 %der Gesamtmenge wird es kritischer und es kann zu einem Volumenmangelschock mit all seinen Konsequenzen kommen. Verliert man 50 %seiner Blutgesamtmenge oder mehr, geht dies ohne adäquate Therapie letal aus. Doch was genau ist der "Saft des Lebens" und wozu ist er überhaupt da? Bestandteile
Das Blut setzt sich aus korpuskulären Bestandteilen, den Zellen, und aus Blutplasma zusammen. Letzteres besteht vorwiegend aus Wasser und enthält verschiedene Stoffe (s. u. ). Den Großteil des Blutzellvolumens machen mit 99% die roten Blutkörperchen (Erythrozyten ) aus. Andere Zellen, die im Blut herumschwimmen, sind Thrombozyten (Blutplättchen) und weiße Blutkörperchen (Leukozyten), die man noch weiter unterteilen kann (s. S. 102). Insgesamt machen die zellulären Bestandteile ca. 45% (Männer) bzw. 42% (Frauen) des gesamten Blutvolumens aus. Diesen Wert- also das Verhältnis der Blutzellen bzw. der Erythrozyten (um das Ganze zu vereinfachen) zum Gesamtblutvolumen- bezeichnet man als Hämatokrit. Die zellulären Bestandteile des Blutes sind: Erythrozyten (ca. 5000000/ J,II), Leukozyten (ce. 7000/J.d) und Thrombozyten (ca. 300000/J.ll).
ferzellen oder Stammzellen. Pluripotent bedeutet, dass diese Zellen dazu in der Lage sind, sich zu jeder Art von Blutzelle auszudifferenzieren. Welchen Weg die jeweilige Stammzelle einschlägt, wird durch Zytokine (lnterleukine, Erythropoetin usw.) reguliert. Eine Übersicht über die Hämatopoese der verschiedenen Zelltypen und deren stimulierende Faktoren gibt I Abbildung I. Die Entwicklung der Leukozyten wurde im Kapitel I 00 schon näher besprochen, daher beschränken wir uns in diesem Kapitel auf die Entwicklung der Erythrozyten. Die Entwicklung der roten Blu tkörperchen läuft über verschiedene Zwischenstufen ab. So entwickelt sich die myeloische Stammzelle zum Erythroblasten und über den Makroblasten und den Normoblasten zum Retikulozyten, der letzten Vorstufe des Erythrozyten. Die Retikulozyten befinden sich zum größten Teil noch im Knochenmark nur5-1 O%o der Erythrozyten im Bl~t
durch Abtranspon zu den Ausscheidungsorganen. Auch für die Homöostase ist das Blut mit anderen Organen zusammen zuständig. Homöostase bedeutetdie Aufrechterhaltung bestmöglicher Bedingungen für die Funktion des Körpers, oder anders gesagt, die Erhaltung des Gleichgewichts. Darunter fallen Parameter wie Säure-Base-Haushalt, Wasserhaushalt, Körpertemperatur oder die Konzentration gelöster Stoffe, wie z. B. Glukose. Als "Träger" der Bestand teile des Immunsystems dient das Blut außerdem der lnfektabwehr. Es enthält Leukozyten, die Zellen des Immunsystems, aber auch andere Stoffe, die an der Abwehr beteiligt sind, wie Antikörper oder Komplementsystem. Erythropoese
Die Zellen des Blutes entstehen alle im Knochenmark aus pluripotenten Vorläu-
~ Pluripotente
~ ~ ~·=:"~· CFU-GEMM
Lymphoide Stammzelle
~ -TP-----.
\.W)
Epo
leukopoe se
l
Thrombopoese
Proerythroblast
Megakaryoblast
Ci)
(j)
+
Eryth rob last
Lymphozyt
t
Retikulozyt
Funktionen
Eine der wohl wichtigsten Aufgaben des Blutes ist der Transport von Stoffen im Körper. Damit wird z. B. gewährleistet, dass der über die Lunge aufgenommene Sauerstoff alle Gewebe erreicht. Über den Transport von Hormonen und Zytokinen ermöglicht das Blut die Kommunikation zwischen den verschiedensten Zellen des Körpers. Andere Aufgaben sind z. B. die Verteilung von Nährstoffen oder die Elimination von Giftstoffen
B-Zelle
T-Zell e
Basophiler G1anulozyt
Makrophage
Neutrophiler Eosinoph iler Granulozyt Granu lozyt
·r-: ( o o~' 0
Oo
Spezifische Abwehr
Unspeziflsche Abwehr
Mithilfe bei der Abwehr
+
Erythrozyt
•
0~-Tra nsport
CFU-CM = Kolonie bildende Einheit der Granulozyten-/Makrophagen-Reihe Kolonie bildende Einheit der Eosinophilen-Reihe CFU-Eo = CFU-GEMM = Kolonie bildende Einheit für Granulozyten, Eosinophile, Monozyten und Makrophagen Kolonie bildende Einheit der Basophilen-Reihe CFU-B = Kolonie stimulierender Faktor der Cranulozyten/Makrophagenreihe GM-CSF = Kolonie stimulierender Fa ktor der Granulozyten-Reihe G·CSF = Kolonie stimulierender Faktor der Makrophagen-Reihe M-CSF = Epo =
Erythropoetin
TP =
Th rombopoetin
I Abb. 1: Hämatopoese [ 14(
l
Erythropoese
+
Megakaryozyt
(j
t
Thrombozyten
~(fo fJ' ~ ®
<:foq(foq
Blutgerinnung
Blut
sind unreife Retikulozyten. Der Anteil kann sich jedoch beim akuten Mangel an roten Blutkörperchen, z. B. nach starkem Blutverlust, erhöhen. Retikula· zyten haben keinen Zellkern mehr, son· dern lediglich kleine Reste an RNA, die ihnen das netzartige Aussehen geben. Für die Ausreifung der Stammzelle zum Erythrozyten wird Erythropoietin (EPO) benötigt, ein Hormon, das in den Nieren und geringfügig auch in der Leber synthetisiert wird . Es stimuliert und reguliert die Erythropoese und wird bei sinkendem Sauerstoff· Partialdruck vermehrt ausgeschüttet. Diese Tatsache wird von Leistungssportlern oft ausgenutzt, die sich vor Wettbewerben einem Höhentraining unterziehen, denn in großer Höhen herrscht ein niedrigerer 0 2-Partialdruck. Dadurch steigt der EPO-Spiegel an und die Eryhropoese nimmt zu. Mehr Erythrozyten können mehr Hämoglobin (und damit mehr Sauerstoff!) transportieren, was im Ausdauerspart natürlich zu Vorteilen führt.
Blutplasma
Das Blutplasma macht in etwa 55% des Gesamtblutvolumens aus. Im Blutplasma ist neben zahlreichen anderen gelösten Stoffen auch Fibrinogen enthalten. Nimmt man das Fibrinogen heraus, z. B. indem es bei der Blutgerinnung verbraucht wird, bleibt das Blutserum übrig. Blutserum ist also Blutplasma ohne Fibrinogen. Im Plasma sind noch zahlreiche andere Stoffe enthalten, wir beschränken uns hier aber auf die wichtigsten Inhaltsstoffe.
Fraktion
Anteil am Gesamtprotein
Album in
55 - 70%
112
113
Beispiele
~--------------------------~
a ,-Giobu lin
2-5 %
Antitrypsin, HDL, Prothrombin, Tran skortin
a 2- Giobulin
5-10%
Caeru loplasmin, Antithrombin 111, Haptoglobin, Plasminogen,
ß-G iobulin
10- 15%
LDL, Transferrin, Fibrinogen , C-reaktives Protein
- y-Gi obulin
12-20%
Immunglobuli ne (lgG, lgA, lgM, lgD, lgE)
Makroglobu lin, Cholin-Esterase
I
Tab. 1: Plas ma prote infraktionen
Die Verteilung der Plasmaproteine weist ein spezielles Muster auf, das beim Gesunden konstant ist und bei verschiedenen Erkrankungen abweichen kann, wie z. B. bei Immunglobulin-produzierenden Tumoren oder akuten Entzündungen (s. auch Kap. 138]. ~ Die Albumine sind mit einem Molekülgewicht von ca. 68 000 Dalton die kleinsten Plasmaproteine, machen aber mengenmäßig den größten Anteil aus (ca. 60%). Proalbumin wird in der Leber gebildet und anschließend durch limitierte Proteolyse in Albumin umgewandelt. Albumin ist der wichtigste regulierende Faktor des kolloidosmotischen Drucks. Außerdem ist es ein Vehikelprotein, das verschiedene Stoffe bindet und auf diese Weise transportiert (z. B. freie Fettsäuren, Vit. B12, Bilirubin, Cholesterin, Steroidhormone, Thyroxin, Pharmaka usw.). ~ Hydrophobe Substanzen werden im Plasma an Lipoproteine gebunden transportiert. Die wichtigsten Lipoproteine sind die Chylomikronen, VLDL, LDL und HOL (s. Kap. 74).
Plasmaenzyme Beim Gesunden tauchen im Blutplasma nur einige Enzyme auf, die von der Leber bzw. dem Pankreas ins Blutplasma sezerniert werden. Dies sind die Enzyme der Blutgerinnung, die Leci· thin-Cholesterin-Acyl-Transferase (LCAT), die Lipoproteinlipase, die a-Amylase und die Pseudocholinesterase. Andere im Plasma auftauchende Enzyme deuten auf eine Organschädigung hin, da sie nur bei Zelluntergang ins Plasma gelangen können. Man misst solche Enzyme zu diagnostischen Zwecken (z. B. GOT und GPT bei Verdacht auf Leberschäden oder die Lactatdehydrogenase (LOH) beim Herzinfarkt). Niedermolekulare Bestandteile Weiterhin im Blutplasma enthalten sind verschiedenste niedermolekulare Bestandteile, wie die Stickstoffhaitigen Verbindungen Harnstoff, Harnsäure, Kreatinin und freie Aminosäuren, sowie Glukose (70- 100 mg/dl), Cholesterin (150- 220 mg/dl], Triacylglycerine (bis 172 mg/dl), Elektrolyte (Na+, K+, Ca 2+ usw. ) und Spurenelemente, wie z. B. Eisen (13,4-31 ,3 mmol/1].
Zusammenfassung • Das Blut setzt sich aus einem zellulären Anteil (Erythrozyten, Leukozyten, Thrombozyten) und dem Blutplasma zusammen.
ac Die Funktionen des Blutes sind unter anderem Stofftransport, Homöostase und lnfektabwehr.
Plasmaproteine Im Blutserum sind insgesamt ca. 6-8 g/ dl Proteine enthalten. Diese sind mit Ausnahme des Albumins so gut wie alle Glykoproteine. Mittels Elektrophorese lassen sich die Plasmaproteine in fünf Fraktionen aufteilen (I Tab. 1).
I
• Blutzellen werden im Knochenmark aus pluripotenten Stammzellen gebildet. Ein wichtiger Stimulator für die Bildung von Erythrozyten ist das Erythropoetin. • Das Blutplasma enthält neben seinen Plasmaproteinen (z. B. Albumin), auch Enzyme und niedermolekulare Bestandteile.
Hämoglobin I Hämoglobinsynthese
Das Hämoglobin (Hb) als Hauptbestandteil der Erythrozyten dient in erster Linie dem Sauerstofftransport im Blut, aber auch dem Transport von C0 2, das am Hämoglobin gebu nden zur Lunge transportiert wird, wo es schließlich abgea tmet werden kann. Außerdem ist Hämoglobin als Puffe rsystem an der Regulation des pH-Wertes beteiligt, und verleiht unserem Blut zu guter Letzt auch seine Farbe ("roter BI utfarbstoff") . Struktur und Eigenschaften
Ein Hämoglobinmolekül besteht aus vi er Untereinheiten, die jeweils aus einem Hämmolekül und einem Protein· antei l, dem Globin, aufgebaut sind . Der Zusa mmenhalt des Moleküls wird durch hydrophobe und ionische Wechselwirkungen und durch Wasserstoffbrückenbindungen gewährleistet. ~ Häm: Das Häm-Molekül ist die prosthetische Gruppe des Hämoglobins und macht den Sauerstofftransport überhaupt erst möglich. Es ist chemisch gesehen ein Porphyrin , und dementsprechend aus vier Pyrrolringen aufgebaut, die über Methinbrücken (= CH-) miteinander verbunden sind (= Porphy· rinogen ). Du rch Modifikation der Pyrrolringe, wie dem Ersatz der Wasserstoffatome durch Seitenketten, erhält man verschiedene Porphyrinderivate, so z. B. auch das Häm-Molekül (I Abb. 1). Im Zentrum trägt das Häm an seine Stickstoffe gebunden ein Eisen-I on (Fe2• ). Das Fe2+ verfügt über sechs Koordi nationsstellen, über die es binden kann. Vier davon werd en durch die Stickstoffe der Pyrrolringe bloc kiert, eins dient der Bindung ans Globin , und das letzte steht der Sauerstoffbindu ng zur Verfü gung. ~ Globin: Bind et ein Häm -Molekül an ei nen Proteina nteil (Globi n), so entstehen Hämoproteine, zu denen neben dem Hämoglobin auch das Myoglobin gehört. Das Globin ist eine Polypeptidkette, die über einen Histidinrest kovalent ans ze ntrale Eisen-Ion des Häms gebunden wird. Vier verschiedene Arten diese r Polypeptidketten (a-, ß-, y- und 8-Kette) können im Hämoglobin vor-
CH, HOOC
COOH
I Abb . 1: Porph yrin (oben) und sei n Derivat Häm (unten)
Hämoglobin wird vor allem von den Vorl äuferzellen der Erythrozyten im Knochenmark gebildet. Einen kleinen Teil des Hämoglobi ns synthetisiert die Leber. Wä hrend das Globin wie bei Proteinen übl ich, an den Ribosomen gebildet wird , ist die Biosynthese des Häms etwas kompl izierter. Sie spielt sich zum Teil in den Mitochond rien und zum Teil im Zytoplasma ab. Es ist nicht so wic htig, alle Einzelschritte der Hämbiosynthese (I Abb. 2) zu kenn en. Im Folgenden beschränken wir uns nur auf die wichtigsten Reaktionen . Man sollte aber die Ausgangssubstanze n kenn en und wissen, wo sich die Synth ese abspielt. ~
Im ersten Schri tt reagieren die Ausgangssubstanzen Succinyi-CoA und Giycin zu o-Aminolävulinsäure (o-ALS). kommen. Dabei enthalten immer zwei der vier Untereinheiten des Hämoglobi ns Succinyi-CoA ist Zwischenprodukt des eine Polypeptidkette vom gleichen Typ. Citratzyklus, daher kann diese Reaktion nur im Mitochondrium ablaufen. Das kata lysierende Enzym ist hi erbei die Hämoglobinarten o-ALS-Synthetase, die fü r die DecarbIm Blut des Erwachsenen kom men zwei oxylierung Pyridoxalphosphat (PALP) als Coenzym benötigt. ve rschiedene Hämoglobinarten vo r: ~ Z u m einen Hb A1 (A fü r "Adult" ), das aus zwei a- und zwei ß-Ketten au fgebaut ist (a 2 f32 ) und mit 98% den Großteil des Gesamthä moglobins ausmacht, ~ Z um anderen Hb A2 , das zwei a ·Ket· ten und zwei 8- Ketten enthä lt (a2o2 ).
Es gibt noch ein anderes Hämoglobin, das Hb F, das aber nur im fetalen Blut vorkommt. Es besteht aus zwei a - und zwei y-Ketten (a2y2), und macht I 00% des fetalen Hämoglobins aus. Das Hb F hat eine höhere Affinität zum Sa uerstoff als das adulte Hämoglobin, d. h. es zieht den Sa uerstoff stä rker an, als Hb A. Das macht Sinn, wenn man bedenkt, dass das Unge borene seinen Sauerstoff aus dem mütterli chen Blut bezieht. Die hohe Affini tät bewirkt, dass das fetale Hämoglobin dem Hämoglobin der Mu tter den Sa uerstoff abnehmen kann . Nac h der Geburt wird das Hämoglobin nach und nach ausgewec hselt, bis der Sä ugli ng nach wenigen Lebens monaten nur noc h Hb A produz iert.
Die A~ynthetase lat zym der Hlmbiosyntheae. .... v
~..,~ ..
wird reguliert durch Hlm, Ihre Expresston und BIOlsynj:IJo i-:il alloeterlsch Ihre ~ Die nächsten Schritte spielen sich im Zytoplasma ab. Zunächst kondensieren zwei o-ALS zu einem Molekül Porphobilinogen, was durch die o-ALS- Dehydratase katalysiert wird. Das Po rphobilinogen enthält bereits einen Pyrrolring. ~ Vier Molekül e Porphobilinogen vereinigen sich dann zu Uroporphyrinogen 111 mit seinem für Porphyrine typisc hen Tetra pyrro lring. Als Zwischensc hritt entsteht dabei allerdings zunächst Uroporphyrinogen I, das anschließend durc h eine Isomerase zum physiologisch wirksa men Typ 11 1 umgewandelt wird. ~ Durch Decarboxylierung der Acetatgruppe n zu Methylgruppe n entsteht nun Coproporphyrinogen lll, das anschlie-
Blut
ßend ins Mitochondrium transportiert und dort mehrfach oxidiert wird. 111- Die Ferrochelatase baut zuletzt das Eisenatom in das entstandene Protoporphyrin ein und das Häm ist fertig. 111- Das Häm gelangt nun wieder ins Zytoplasma, wo es mit dem Globin verbunden wird. So entsteht endlich unser Hämoglobin. Ein Funktionsverlust oder Mangel eines der Enzyme der Hirnbiosynthese fllhrt zu Störungen der Porphyrinsynthese mit Anreicherung der Synthesestufen. Die Vorstufen lagem sich in verschiedenen Organen ab, was die Symptome der sog. Porphyrie verursacht. Dies filhrt z. B. zu einer Lichtempfindlichkelt der Haut, die mit Blasenbildung und schweren Nekrosen einhergeht, sowie zu neurologischen Symptomen.
Abbau des Hämoglo bins
114
I
115
Hämabbau
Im MPS spaltet die Häm-Oxygenase Cytochrom P450 -abhängig den Rlng des Hämoglobins, wobei 0 2 und NADPH/ H+verbraucht werden. Daraus entsteht Biliverdin, und Kohlenmon oxid (CO] und FeZ+ werden frei. 111- Biliverdin wird anschließend durch Reduktion (Enzym: Biliverdin-Reduktase, Coenzym: NADPH/ H•] zum indirekten Bilirubin, das aufgrund seiner schlechten Wasserlöslichkeit an Albu· min gebunden zur Leber transportiert werden muss. 111- In den Hepatozyten erfolgt nun die Koppelung des indirekten Bilirubins an zwei Moleküle aktivierter Glukuronsäure (UDP-Glukuronsäure) . Enzym ist hierbei die Glukuronyl-Transferase, und das Produkt nennt man Bilirubin· glukuronid, bzw. direktes Bilirubin. Die Konjugation hat den Sinn, das Bilirubin wasserlöslic her zu machen, damit es über die Galle ausgeschieden werden kann. 111-
Der Abbau des bei Hämolyse oder nach Erythrozytenmauserung frei werdenden Hämoglobins beginnt im mononukl eären Phagozytensystem (MPS) von Milz, Leber und Knochenmark und setzt sich in der Leber fort. Um an seine Abbauorte zu gelangen, wird das Hämoglobin an Haptoglobin gebunden im Blut transportiert. Als Erstes werden die Häm- und Globinanteile voneinander getrennt, wobei Letztere zu Aminosäuren gespalten werden, die anschließen d wiederverwertet werden können. Häm dagegen muss in mehreren Schritten abgebaut werden, da es nicht wiederverwertbar ist.
COOH
I
CH 2
I
CH 2
I I s I
C=O COOH
I
CoA
+ H2N-CH2
Succinyi-CoA
Glycin
ö-Aminolaevulinsäure
2
X
I ö -ALS-Dehydratase I J COOH
Uroporphyrinogen 111
I
R2
COOH CH2
Desaminase + Isomerase
I
4<
H2r
I
J-f'
NH2
N
H
Porphobilinogen
R1 = - CH2- COOH R2 = -CH2 - CH2-COOH
J I Decarboxylase I Coproporphyrinogen 111
I Abb. 2: Häm synthese
-
I Ferrochelatase I Protoporphyrin
Ausscheidung des Bilirubins
Das konjugierte Bilirubin wird von den Leberzellen über einen aktiven Transport in die Galle abgegeben. Im Darm angelangt, spaltet die bakterielle Glukuronidase die Glukuronsäure wieder ab, und das freie Bilirubin wird anschließend zu Urobilinoge n und zu Stercobilinogen reduziert. Bei Anwesen· heit von Sauerstoff oxidieren diese anschließen d zu Stercobilin und Urobilin, die unserem Stuhl seine braune Farbe geben.
Hämoglobin II Sauerstofftransport und Speicherung Die Hauptfunktion des Hämoglobins (Hb) liegt in dem Transport von Sauerstoff im Blut Dazu kann jedes Hb-Molekül bis zu vier Sauerstoffmoleküle binden. Man nennt es in diesem "beladenen Zustand" Oxyhämo globin (HbOJ
Bindung sverhalte n des Hämoglo bins Wichtig zu wissen ist, dass es sich bei der Sauerstoffbindung um eine Oxygenie rung und nicht um eine Oxidation handelt Der Unterschied dabei ist, dass sich bei der Oxygenierung die Wertigkeit des Eisens (Fe 2+) nicht ändert, während eine Oxidation zur Bildung von funktionslosem Methämoglobin (s. u.) führt, dessen Eisenatom dreiwertig ist Man beobachtet bei der 0 2 -Bindung durch Hämoglobin ein sog. kooperatives Bindungsverhalten. Durch Anlagerung eines Sauerstoffmoleküls ändert das Hb seine Konformation, wodurch sich die Affinität zum Sauerstoff erhöht und die Bindung weiterer Sauerstoffmoleküle erleichter t wird. Damit wird die 0 2-Bindung umso leichter, je mehr Sauerstoffmol eküle bereits am Hämoglobin gebunden sind. Diese Kooperativität führt zu einem sigmoidalen Verlauf der Sauerstoffbindungskurve des Hämoglobins,
Sa0 1 (%) 100
90 80 70 60
Unlcmnchlebung bel:
so
Alblose. J. peo,. J. Temp.,
+2,3-81'G, f1Uiem Hb
40
Normal
30
Rechtsverschiebung bei:
Azldo5e, t pC02, t Temp., t 2,3-BPG
20
10 0
-JL-..,-..,--, ---,---,----- ,---,-- ,---,---,- 0
10 20 30 40 SO 60 70 80 90 100 p0 1 (mmHg)
I Abb. 3: Sauers toffbi ndungskurve (norma l, bei Links- und bei Rec htsve rsc hieb ung) 11 51
die zudem einen Sättigungscharak ter aufweist, d. h. sie flacht wieder ab, wenn das Hb voll mit 0 2 beladen ist (I Abb. 3).
C0 2-Transport
Verschie bung der Sauersto ffbindun gs kurve Verschiedene Einflussfaktoren führen zu einer Rechts- bzw. Linksverschiebung der 0 2-Bindungskurve. Eine Rechtsverschiebung bedeutet eine Abnahme der Affinität des Hämoglob ins zum Sauerstoff, d. h. der Sauerstoff wird leichter abgegeben. Eine Linksverschiebung dagegen bewirkt eine Zunahme der Affinitä t, folglich wird der Sauerstoff nur erschwert abgegeben bzw. leichter aufgenommen.
80 % davon gelangen als Bicarbonatlonen (HC0 3 ) an ihren Bestimmungsort. Um als HC0 3- transportiert werden ZU können, Wird das C02 zunächst im Erythrozyten durch die Carboan hydrase zur Kohlensäu re hydriert, die anschließend in HC0 3- und H+ dissoziiert. Im Austausch gegen ein Cl--Ion gelangt ein HC0 3 aus dem Erythrozy: ten. In der Lun ge gelangt das Bicarbon at wiederum im Austausch gegen CJ- in den Erythrozyten, wo die Carboanhydrase die Rückverwandlung in CO 2 katalysiert. Dieses kan n den Erythrozyten ungehinderr verlassen und abgeatmet werden. Die Gleichung der Carboanhydrase reaktion lautet: H20 + C02~ HzC0 3 (dieses dissoziiert spontan in HC0 3- und H ~ j . lll>- I 0% werden an Hämoglobin gebunden transporti ert {HbC0 2). Unter Bildung von Carbami nohämog lobi n wird C0 2 am Hämoglobin gebunden im Erythrozyten transportiert. Die Bindungsstelle ist hierbei eine andere als die für den Sauerstoff ! Kohlendioxid bindet nicht an das ze ntrale Eisenatom der Globinketten, sondern kovalent an deren NH 2-Gruppen (aminoterminales Ende). lll>- I 0% des C0 2 werden in physikalisch gelöste r Form im Blut zur Lunge transportiert.
Zu einer Rechtsversch iebung führen: ei ne Abnahme des pH -Wertes, "" eine Zunahme der C0 2-Konzentration, llJ>- Temperaturansti ege und "" eine Erhöhung der 2,3-BPG-Konzentration.
llJ>-
Damit es zu einer Linksverschiebung kommt, verhalten sich die Einflussfaktoren genau umgekeh rt. Als Bohr-Effekt bezeichnet man den Einfluss von pH -Wert und C0 2-Konzentration auf die 0 2-Affinität. Er erleichte rt die 0 2-Aufnahm e in der Lunge und die Abgabe im Gewebe.
Sauersto ffspeicher Myoglob in Das in den Muskelze llen vorkommende Myoglobin ist ebenfalls ein Hämoprotein, besteht aber im Untersc hied zum Hämoglobin aus nur einem Häm und kann daher insgesamt nur ein 0 2-M olekü l aufnehmen. ine 0 2-Affinität ist sechs Mal höher als di des Hämoglobins, was da zu füh rt, dass es seinen Sa uersto ff nur bei eh r ni dri gen 0 2-Partialdrücken abgibt. Di se Eigenschaft verleiht dem Myoglobin eine Funktion als 2- peicher.
Das C0 2 wi rd auf drei verschiedenen Wegen im Blut transportiert: lll>-
Da C0 2 ein Abfallprodukt des Stoffwech sels ist, wird es zur Elimination zu r Lunge transpo rtiert, wo es abgeatmet werden kann.
Pathologie des Hämoglobins In aktive Zustand sforme n des Hämoglo bin s lll>- Normalerweis ist das am Häm gebund ne Eisen zweiwenig (Fe2; ). Wird s ab r zu F ' oxidl rt, so ist das Hämoglobin nicht mehr in der Lage, Sauerstoff zu tran porti r n. Dies Zustandsform h ißt M ethämoglobin (MetHb). V rstärkt M thämo lobl nsynthese tritt
Blut
bei verschiedenen Vergiftungen auf, wie z. B. durch Oxidationsmittel, Nitrite oder H20 2• Therapiert werden diese durch Gabe von Reduktionsmitteln. .,. Kohlenmonoxid (CO] hat am Hämo· globin die gleiche Bind ungsstelle wie Sauerstoff, allerd ings ist seine Affinität ca. 300-malso hoch wie die des Sauer· stoffs, der dadurch aus der Bindung verdrängt wird. Die Bildung von HbCO schränkt den 0 2-Transport daher we· sentlich ein, was eine Kohlenmonoxid· vergiftung lebensbedroh lich macht. Durch Überdruckbeatmung mit reinem 0 2 kann diese therapiert werden.
fei·Eisen-Komplexen, die in der Atmungskette eine große Roll e spielen. Der Mensch nimmt täglich etwa 10-20 mg Eisen über die Nahrung zu sich, von denen allerdings nur 10% (bei Eisenmangel bis zu 40%] im Dünndarm resorbiert werden. Also nehmen wir täglich ca. 1 mg Eisen aus der Nahrung (Gemüse, Getreideprodukte, Leber) auf, der Gesamtkörperbestand beträgt ca. 3-5 g. .,. Eisenresorption: Das in der Nah·
116
I
117
chenmarks und des mononukleären Phagozytensys tems als Speichereisen an Proteine gebunden vor. Die Hauptspeicherform ist das Ferritin. Ist der Ferritinspeicher voll, so wird das Eisen auch an Hämosiderin gebunden. .,. Eisenausscheidung: Der menschliche Organismus ist nicht in der Lage, größere Mengen an Eisen auszuscheiden, die tägliche Ausscheidungsrate beträgt nur ca. I mg. Daher eignet sich die Eisenausscheidung nicht zur Regulation des Eisenangebots .
rung enthaltene Eisen ist meist dreiwertig (Fe3+) . Da es in dieser Form schlecht Bei Eisenmangel, z. B. infolge mangelnresorbierbar ist, wird es zunächst im der Aufnahme oder bei chronischen Hämoglobinopathien Duodenum reduziert, wobei das besser Blutungen (z . B. aus einem MagengeHämoglobinopathien sind genetische Er· resorbierbare Fe 2+entsteht. Vitamin C schwür), greift der Körper zunächst krankungen, die mit einer fehlerhaften und SH-Gruppen-haltige Aminosäuren auf seine Eisenreserven zurück. Sind oder unzureichend en Hämoglobinsyn· (z. B. Cystein) fördern die Reduktion. diese erschöpft, kann nicht mehr genüthese einhergehen. ln den Mukosazellen des Darms wird gend Hb hergestellt werden, und es Die Sichelzellanämie beruht auf einer Fe 2+durch Caeruloplasmin gleich wie· kommt zu einer Eisenmangelanämie fehlerhaften Synthese des Globins, in der zu Fe 3+ oxidiert. mit mikrozytären, hypochromen Erydessen ß-Kette eine falsche Aminosäure .,. Eisentransport: Eisen wird an throzyten . eingebaut wird (Valin statt Glutamat]. Transferrin gebunden im Blut trans· Bei der Hämosidero se dagegen wird Dies führt zur Bild ung von Sichelzellportiert. Dazu binden die Fe 3+-Ionen an zuviel Eisen im Dünndarm resorbiert. hämoglobin (Hb S), das im unbeladenen Apotransferrin, wobei Transferrin, ein Dies führt zum Eisenüberschuss mit Zustand (ohne 0 2 ] eine geringere LösGlykoprotein, das in der Leber gebildet Hämosiderinablagerungen in verschielichkeit aufweist als das normale Hb. wird, entsteht. denen Organen, insbesondere in Leber, Das Hb S fällt intrazellulär aus, wodurch .,. Speicherung von Eisen: Vom Pankreas und Herz, was mit Leberzir· sich die Erythrozyten sichelartig verGesamtkörpereisen sind über 60% in rhose, Diabetes mellitus oder Herzinsuf· formen. So kommt es zu Gefäßverschlü s- Hämoglobin, 4,5 %in Myoglobin und fizienz einhergehen kann. Zur Therapie sen und infolge eines verstärkten Ery2% in Enzymen gebunden. Ca. 20% werden die Patienten auch heute noch throzytenabbaus zu einer Anämie. liegen in den Zellen der Leber, des Kno- regelmäßig zur Ader gelassen. Bei der v. a. im Mittelmeerraum vorkommende Thalassämie besteht ei ne Störung der Synthese der a - oder der ß-Ketten des Hämoglobins. Da ein Zusammenfassung Mangel der entsprechenden Kettenart ac Hämoglobin besteht aus vier Untereinheiten, die jeweils einen Proteinbesteht, greift der Körper bei der HbSynthese stattdessen au f and ere Ketten anteil und ein Hämmolekül enthalten. zurück, wobei vermeh rt Hb Fu nd Hb ac Die Hauptaufgabe des Hämoglobins ist der Sauerstofftransport 0 2 wird A2 entstehen. Allerdings können diese dafür an die zentralen Eisenatome der vier Hämmoleküle gebunden. physiologisch nur in geringeren Mengen produziert werden. Es entwickelt sich ac Beim Abbau von Hämoglobin entsteht indirektes Bilirubin, das anschlieeine mikrozytäre, hypochrome Anämie. ßend in der Leber zu direktem Bilirubin konjugiert wird. Dieses kann über
Eisenstoffw echsel
An dieser Stelle machen wir ei nen klei nen Exk urs zum Eisenstoffwec hse L Eisen ist als Zentralatom der Porphyrine, wie Hämoglobi n, Myoglob in und der Cytochrome, maßgeblich am Sa uerstoff· und Elektronentransport beteiligt. Außerd em ist es Bestandtei l von chwe-
die Galle ausgeschieden werden.
ac Die Affinität des Hämoglobins zum Sauerstoff spiegelt sich in der Sauerstoffbindungskurve wider. Diese wird durch verschiedene Faktoren wie z. 8. pH-Wert oder C02-Konzentration beeinflusst.
ac Die Funktion des Hämoglobins kann gestört sein, wenn seine Zustandsform geändert wird, z. B. infolge von Oxidation des zentralen Eisens oder Bindung von Kohlenmonoxid.
Erythrozyten Die Erythrozyten machen den größten Anteil des Blutzellvolumens aus [99 %). Dabei hand elt es sich bei Erythrozyten gar nicht um richtige Zellen, denn sie verlieren im Laufe ih rer Entwicklung [Erythropoese, s. Kap. 11 2) fast alle Zell· organellen, unter anderem auch ihren Zellkern. Dieser Verlust schmerzt den Erythrozyten allerdings wenig, da auf diese Weise mehr Platz für den Transport von Hämoglobin gewinnt. Das Hämoglobin benötigt er für die Wah r· nehmung seiner Aufgaben: den Sauer· Stofftransport und die Blutpufferung. Eigenschaften der Erythrozyten
Der Mensch besitzt in einem ~tl Blut ca. 4,5- 5 x I 0" Erythrozyten, wobei der Wert bei Frauen meist ervvas gerin· ger ist als bei Männern. Wie schon erwähnt, verlieren die Erythrozyten während der Erythropoese ihren Zellkern sowie ihre Mitochondrien, Ribosomen und ihr endoplasmatisches Retikulum. Das hat zur Folge, dass dem Erythrozyten alle Stoffwechselwege, die sich in diesen Zellorganellen abspielen, fehlen. Demnach ist die einzige Method e, über di e er Energie gewinnen kann , die anaerobe Glykolyse, was den Vorteil hat, dass der Erythrozyt nicht selbst seinen transportierten Sauerstoff verbraucht. Schließlich soll er ja die 0 2 -Versorgung des periphere n Gewebes gewährleisten. Ein Erythrozyt ist nicht zur Teilung be· fähigt, da er keine Nukleinsäuren und keine Proteine herstellen kann. Seine Überlebenszeit beträgt 120 Tage, da· nach wird er durch die Milz aus dem Blutkreislauf aussortiert (Erythrozytenmauserung). Erythrozytenstoffwechsel
Durch den Verlust sei ner Zellorganellen bleiben dem Erythrozyten nur di e zyto· plasmatischen Stoffwechselwege Glykolyse und Pentosephosphatweg erhalten.
benötigt er im Wesentli chen für drei Vorgänge. Einerseits muss er sein inneres Ionenmilieu aufrechterhalten , was durch die Energie verbrauchende Na+/ K+·ATPase erreicht wird. Weiterhin benötigt er das ATP für die Glutathionsynthese und zur Erhaltung seiner Zell form. Die Glykolyse läuft beim Erythrozyte n etwas anders ab, als in anderen Zellen . Der Erythrozyt geht dabei einen kleinen Zwischenschritt über 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG). Bildung von 2,3-Bi sphosphoglycerat
Normalerweise beinhaltet ein Schritt der Glykolyse die Umwandlung von I ,3-Bisphosphoglycerat [I ,3-BPG) zu 3-Phosphoglycerat, wobei bei der Spaltun g der energiereichen Säureanhydridbindung des I ,3-Bisphosphoglycerats ein ATP-Molekül entsteht. Diese Reaktion der Glykolyse wird in Erythrozyten jedoch zum Teil umgangen. Stattdessen wird hier die energiereiche Säureanhyd· ridbindung in eine energieärmere Esterbindung umgewandelt, wobei 2,3-Bis· phosphoglycerat entste ht [I Abb. I). Bei der Reaktion von 2,3-BPG zu 3-Phosphoglyerat wird nicht genügend Energie frei , als dass ein ATP gebildet Glykolyse
/o'- _ II _
_
10-P - 0 ~
-
h Ol
werden könnte. Damit geht dem Erythrozyten durch diesen Umweg ein Energieäquivalent verloren. Bel der erythrozytären Glykolyse werden 20% des 1,3-Bisphoaphoglycerats zu 2,3-Biaphosphogtycerat umgewandelt. Ober diesen alternativen Weg kann der Erythrozyt statt 2 Mol ATP nur 1 Mol ATP pro Mol Glukose gewinnen.
Funktionen des 2,3-Bisophosphoglycerats
Man könnte meinen, dieser Umweg über das 2,3-Bisphosphoglycerat sei sinnlos, denn immerhin geht dem Erythrozyten dabei Energie verlore n. Doch hin ter diesem Zwischenschritt steckt ein höherer Sinn: Das 2,3-BPG nimmt Ei nfluss auf die Sauerstoffaffinität des Hämoglobins. Es bindet an die ß-Kette des sauerstofffreien Hämoglobins (Desoxy- Hb) und blockiert dadurch dessen Sauerstoffaufnahme (allosterische Inhibition ). Die Bereitschaft zur Sauerstoffbindung sinkt also, oder and ers gesagt: Die Sauerstoffaffinität des Hämoglobins nimm t ab. Dadurch wird die Sauerstoffabgabe ans Gewebe erleichtert. 2,3-BPG bindet nur an Desoxy-Hb, daher wird es umso meh r verbraucht je mehr Desoxy-Hb in einem Geweb~ vorkommt. Besteht also in einem Gewebe 0 2-Mangel, so wird 2,3-BPG vermehrt verbraucht und gleichzeitig seine Produktion angekurbelt. Dies erleichtert wi ederum die Sauerstoffab gabe ins Gewebe und führt dort zu einem Aus-
I - ' c' I
101
- -
H- C- OH
Ester
I H- e-® I
coo - /<5'
H
1,3-Bisphosphoglycerat
ADP~ I
BisphosphoglyceratMutase
3-Phosphoglycerat-Kinase
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I _ II _ _
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2,3-Bi sphosphoglycerat
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3-Phosphoglycerat
cool
H- C- OH
Glykolyse
Die anaerobe lykolyse stell t die einzige Mögli chkeit dar, wie der Erythrozyt an Energie (ATP) gelangen kann. Das ATP
I I
H- e-® H I Abb. I : Bildung von 2,3-ßisphosphoglyc rat Über die an aerobe Glyko lyse
Blut
gleich des 0 2-Mangels. Der Sauerstoffbedarf eines Gewebes hat also einen Einfluss darauf, ob ein Erythrozyt den Weg der klassischen Glykolyse einschlägt oder den Umweg über das 2,3-Bisphosphoglycerat wählt Pentosephosphatweg
im Zytoplasma ab, wo die Aminosäuren miteinander verknüpft werden. Glutathion ist ein Antioxidans, es schützt also die Bestandteile des Erythrozyten (Enzyme, Zellmembran, Hb) vor Oxidation, indem es sie nach unfreiwilliger Oxidation wieder reduziert, wobei es selbst oxidiert wird (Enzym: Glutathion-Peroxidase) . Dabei werden stets zwei Giutathion-Moleküle oxidiert, die sich anschließend unter Ausbildung einer Disulfidbrücke zu einem Glutathion-Disulfid verbinden. Dieses muss anschließend wieder zu zwei reduzierten Glutathion-Molekülen regeneriert werden, damit es erneut seine Funktion als Antioxidans ausüben kann. Dies geschieht durch die Glutathion-Reduktase, die als Coenzym NADPH/ H+ (Wasserstoffdonator) benötigt.
118
I 119
Enzymdefekte
Störungen der erythrozytären Enzyme können zu verschiedenen Krankheitsbildern führen. Glukose-6- Phosphat-Dehydrogenase-Mangel (G6PDH-Mangel)
Der häufigste erythrozytäre Enzymdefekt ist der Mangel an Glukose-6Die entscheidende Aufgabe des PentosePhosphat-Dehydrogenase, dem Enzym, phosphatwegs im Stoffwechsel des Erydas den ersten Schritt des Pentosephosthrozyten besteht in der Bildung von phatwegs katalysiert Bei G6PDHNADPH/ H+_Dieses wird für die RegeMangel kann der Pentosephosphatweg neration von Glutathion (s_ u.) dringend nur beschränkt ablaufen, was zu einem benötigt, und die einzige Quelle, die Mangel an NADPH/ H+und somit zur den Erythrozyten dafür zur Verfügung gestörten Regeneration von Glutathion steht, ist der Pentosephosphatweg. führt. Dadurch kommt es wiederum Das am Ende des Pentosephophatweges zu einer vermehrten Bildung von Metentstehende Fruktose-6-Phosphat kann hämoglobin. Die Symptome variieren bei NADPH/ H+-Bedarf anschließend in sehr stark und hängen unter anderem Glukose-6-Phosphat umgewandelt und von der Mutation (über 100 bekannte erneut in den Pentosephosphatweg ein- Andere Antioxidantien Varianten) und dem Geschlecht der geschleust werden. Dadurch entsteht betroffenen Person ab. Sie reichen von Neben dem Giutathion verfügen die eine Art Kreislauf, der eine ausreichenErythrozyten über weitere Enzyme, die Beschwerdefreiheit bis hin zum Aufde Versorgung des Erythrozyten mit treten hämolytischer Krisen. Durch NADPH / H+gewährleistet Ist genügend sie vor oxidierenden Substanzen schützen können. Die Superoxid-Dismuta- den Verzehr von Favabohnen können NADPH / H' im Erythrozyten vorhansolche hämolytischen Krisen hervorgeden, so wird Fruktose-6-Phosphat direkt se beseitigt die anfallenden Superoxidradikale, die beispielsweise bei der spon- rufen werden, daher wird die Erkranin die Glykolyse eingeschleust und für kung auch als Favismus bezeichnet. die ATP-Synthese verwendet tanen Oxidation von Hämoglobin zu Methämoglobin entstehen, während die Katalase die Glutathion-Peroxidase Pyruvatkinase-Mangel Schutz der Erythrozyten Beim Pyruvatkinase-Mangel ist der bei der Entschärfung von Wasserstoffvor Oxidation Ablauf der erythrozytären Glykolyse peroxid (H 20 2 ) unterstützt Würde das gestört. Dies führt zu Störungen der H20 2 nicht beseitigt, so könnte es mit Kommt eine Zelle mit Sauerstoff in zellulären Integrität und kann mit einem Superoxidradikal zu einem HyKontakt, so besteht die Gefahr, dass droxylradikal weiterreagieren, das noch einer mehr oder weniger starken oxidierende Substanzen (H 20 2 , Sauerhämolytischen Anämie einhergehen. stoffradikale) entstehen. Diese sind sehr reaktionsfreudiger und schädlicher als reaktionsfreudig, sie können Zellbestand- andere Oxidantien wäre. teile (Zellmembran, Proteine usw.) schädigen und sogar den Untergang der Zelle hervorrufen. Erythrozyten sind Zusammenfassung besonders gefährdet, da sie bekanntlich • Erythrozyten haben keinen Zellkern, keine Mitochondrien, keine RibosoSauerstoff transportieren und ihm daher men und kein endoplasmatisches Retikulum. ständig ausgesetz t sind. Glutathion ist das wichtigste Antioxidans des Erythro• Sie bestehen zum Großtell aus Hämoglobin und sind hauptsächlich für zyten und schützt ihn in Zusammenarden Sauerstofftransport im Blut zuständig. beit mit anderen Enzymen vor den schä• Die erythrozytäre Glykolyse weist eine Besonderheit auf: Ober einen digenden Wirkungen des Sauerstoffs. Zwischenschritt kommt es zur Bildung von 2,3-Bisphosphoglycerat, das die
Rolle des Glutathions
Das Glutathion ist ein Tripeptid, das aus den Aminosäuren Glu tamat, Cystein und Glycin aufgebaut ist. Seine Synthese ist ATP-abhängig und spielt sich
Sauerstoffaffinität des Hämoglobins herabsetzt. • Glutathion schützt den Erythrozyten und seine Bestandteile vor oxidierenden Substanzen. Seine Regeneration erfolgt mithilfe von NADPH/H+, und ist beim Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase-Mangel gestört.
Blutstillung und Gerinnung dungenwerden die Blutplättchen gleichjeder kennt es: Schneidet man sich in zeitig aktiviert. den Finger, fängt es aus der Wund e Diese Aktivierung fü hrt zu: erstmal an zu bluten. Dass die Blutung relativ schnell wieder sistiert, verdanken ll>- Ausschüttung der in Thrombozyten wir einem ausgeklügelten System, enthaltenen Granu la: Die Granula entdas der Körper zur Reparatur verletzter halten Substanzen, die weitere PlättGefäßwände entwickelt hat. Zunächst chen aktivieren (ADP, Serotonin) kommt es zu einer vaskulären Reaktion, oder für den Ablauf der Gerinn ung d. h., das Gefäß selbst versucht den nötig sind (z. B. Ca 2+). Blutverlust durch Konstriktion mög· ..". Bildung von Thromboxan A2 aus liehst gering zu halten. Thrombozyten freigesetzter Arachidonsäure aus der und die plasmatische Blutgerinnung Thrombozytenmembran: Das Throm berledigen daraufhin den Rest. oxan füh rt zur Vasokonstriktion und zur Aktivierung weiterer Thrombozyten. Thrombozyten ll>- Verformung der Thrombozyten: Die Thrombozyten werden flacher und bilEntstehung und Eigenschaften den Fortsätze (Pseudopodien) aus, mit denen sie den Gefäßd efekt provisorisch Thrombozyten oder auch Blutplättchen abdecken können. Außerdem kommt gehören zu den zellulären Bestandteilen es zu eine r Umstrukturierung der Plätt· des Blutes. Sie entstehen im Knochen· chenmembran. Negativ geladene Phosmark aus Megakaryozyten, von denen pholipide der Membran, die eigentlich sie sic h als kleine Zellfragmente abschnü- ins Zellinnere ragen, gelangen auf die ren. Thrombozyten sind flach und schei- Außenseite und werden so den Gerinbenförmig und haben keinen Zellkern . nungsfaktoren präsentiert. Dadurch Nach einer mittleren Lebenszeit von kommt es zu deren Aktivierung. I 0- 12 Tagen werden die gealterten Zunächst bildet sich also ein weißer Blutplättchen in der Milz abgebaut. Im Normalfall befinden sich in unserem Plättchenthrombus, bei dem die Bl utplättchen über Fibrinogenbrücken zu. Blut 150000-300000 Thrombozyten sam mengehalten we rden. pro Jll, deren Aufgabe darin besteht, Gefäßverletzungen behelfsweise zu verschließen und die Blutgerinnung Blutgerinnung zu aktivieren. Dabei entsteht Fibrin, Der primäre Plättchenthrombus ist das die Thrombozyten miteinander noch ziemlich instabil. Erst nach Ablauf "verklebt" und so den zunächst insta· der Gerinnungskaskad e, wenn das bilen primären Plättchenthrombus lösliche Fibrinogen in un lösliches, verstabilisiert. netztes Fibrin umgewa ndelt wurde, hal ten die Plättchen richtig fest zusa mRolle bei der Blutstillung men. Diese Umwandlung geschieh t Throm bin, dessen Aktivierung durch Thrombodie müssen einmal Zunächst der Gerinnugskaskade steht Ende am igte beschäd sein, zyten in der Lage Wegen erreicht werd en zwei auf und Gefäßwänd e zu finden. Dies gesc hieht oder Extrinsic-System). (lntrinsickann über verschiedene Strukturen, die sich eigentl ich in der subendothelialen Matrix befinden, durch eine Verletzung Gerinnungsfaktoren der Gefäßwand aber freigelegt werd en. Für den Ablauf der Gerinnu ngskaskade An diese können Thrombozyte n nun werden sog. Ge rinnungsfaktoren benö· über ihre Rezeptoren binden, und so tigt, von denen es 13 verschiedene den primären Plättchenthrombus aus· gibt: Faktor I- XIII. Sie haben alle auch bilden. Der erste Kontakt erfo lgt über einen Eigennamen, wichtiger ist es aber, die Bindung an den von-Willebranddie jeweilige römische Zi ffer zu kennen. FibronektinKollagen-, Faktor. Über Bei den meiste n Gerinnungsfaktoren und Lamininrezeptoren wird der elt es sich um Proteinasen, die hand Kontakt stabilisiert. Durch diese Bin-
nach ihrer Aktivierung wiederum einen weiteren Faktor aktivieren, wozu sie als Cofaktoren Ca2+ und Phospholipide benötigen. So en tsteht eine Kaskade die in der Aktivierung von Thrombi~ gipfelt. Ist ein Faktor aktiviert, wird dies kenntlich gemacht, ind em seiner Zi ffer ein a hinzugefügt wird . Die Faktoren der Gerin nungskaskade sind: Faktor 1: Fibrinogen, Faktor 11 : Prothrombin, ll>- Faktor 111: Gewebsth romboplastin (= Thrombokinase), ll>- Faktor IV: Kalzium (CaZ+), ll>- Faktor V: Proaccelerin, ll>- Faktor Vl = aktivierter Faktor V (Va), ll>- Fakto r VII: Prokonvertin, ll>- Faktare VIII: Antihämophiles Globulin A, ll>- Faktor IX: Christmas Factor, ll>- Faktor X: Stuart Prower Factor, ll>- Faktor XI: Plasmathro mboplastin, ll>- Faktor XII: Hageman Factor, ll>- Faktor XIII: Fibrinstabilisierender Faktor. ll>-
ll>-
Ablauf
Man un terscheidet bei der Blutgerinnung das intrinsische und das extrinsische System. Beide führen letztendlich zu einer Aktivierung des Faktors X zu Xa. Ab da gehen beide Systeme eine gemeinsame Endstrecke, di e zum Schluss in di e Bildung eines s~~bil e n Fibrinpolymers mündet. Einen Uberblick über die gesa mte Blutgerinnung liefert I Abbildung 1. Intrinsisc hes System
Bei der intrinsischen Gerinnung liegen alle beteiligten Faktoren im Blut vor: Durch Kontakt mit Fremdoberfläche (z. B. im Reagenzglas ) bzw. mit negativer Lad un g, werd en im Blutplasma vorhandene Subs tanzen akti vi ert: Präkallikrein hochmoleku lares Kininogen und Faktor' XII. Diese aktivieren sich auch gegenseitig zu Kallikrein, Bradykinin und Faktor Xlla. Die Kette wird nun fortgesetzt
'
Blut
Intrinsisches System
Extrinsisches System
Endothelverletzung XII
___1___. XI
Gewebsverletzung + GT'
Xlla
Vlla
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-
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VII
Ca2 +
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~+Ca 2 • IX
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1xa
1
Ca' •
VIIl -
Faktor IV Faktorv
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J:·l Xa
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1
Phospholipide
Ca~'·---~
'-P-rot_hr_om _b_in_;- - ---'--------'- 1
Fibrinogen
Thrombin
-----'!'- - - -+
-
-
120
I
121
tor Xa hemmt. Außerdem bilden Endo· thelzellen zusätzlich Prostazyklin und Thrombomodulin, weitere Hemmer der Blutgerinnung. Wichtig ist außerdem Protein C, das zusammen mit Protein S negative Phospholipide bindet und die Faktoren V und VIII zerstört Protein C und S werden Vitamin-K-abhängig in der Leber gebildet. Der PAF (= platelet activation factor) dagegen wirkt gerinnungsfördernd, indem er die Thrombozytenaggregation ankurbelt.
----,
Fibrinmonomer
Fibrinolyse I
Abb.
1: Die Blutgerinnung im Überblick 1151
indem Faktor Xlla den Faktor XI in seine aktive Form überführt, was wiederum zu einer Aktivierun g von Faktor IX führt, der mithilfe von Faktor VIII, Ca 2+ und Phospholipid die Bildung von Faktor Xa bewerkstelligt. Der Ablauf der intrinsischen Gerinnung vollzieht sich im Minutenbereich. Extrinsisches System
Die extrinsische Gerinnung läuft in weniger Schritten und innerhalb von Sekunden ab. Hierzu kommt es bei einer Gefäßverl etzung mit freiliegendem subendothelialen Gewebe (befindet sich nicht im Blut, daher extrinsisch), insbesondere mit dem Gewebsthromboplastin (= Faktor 111). Gewebsthromboplastin aktiviert Faktor VII zu Vlla, und dieser wiederum Faktor X zu Xa. Gemeinsame Endstrecke
In den letzten Schritten der Gerinnung führt Faktor Xa zur Aktivierung von Prothrombin (Faktor II ) zu Thrombin (Faktor Ila ), das aus Fibrinogen (Faktor I) Fibrinmonomere frei setzt. Dadurch entsteht zunächst instabiles Fibrin, das erst durch Faktor Xllla , über die Bildung von kovalenten Peptidbindungen zwischen den lockeren Fibrinmonomeren, in ein stabiles Fibrinpolymer überfühn wird.
Regulation der Blutgerinnung
Im Blut sind eine Reihe von Stoffen vorhanden , die eine überschießende Blutgerinnung und damit auch die Ausbildung gefährlicher Thrombosen verhindern. Dazu gehört Antithrombin III, das Thrombin abbaut und Fak-
Auf- und Abbau(= Fibrinolyse) von Fibrin stehen normalerweise in einem Gleichwicht zueinander und laufen parallel ab. Die Fibrinolyse führt zum Umbau des Thrombus und damit zur Wiederherstellung eines normalen Blutflusses. Das Enzym, das für den Abbau des unlöslichen Fibrinpolymers zuständig ist, ist das Plasmin, das aus seiner Vorstufe Plasminogen aktiviert werden muss. Bei diesen Plasminogenaktivatoren unterscheidet man einen Gewebetyp (tissue-PA, t-PA) und einen Urokinase-Typ (u-PA). In der Klinik verwendet man zur Auflösung von Thromben , z. B. nach einem Herzinfarkt oder Schlaganfall Streptokinase, einen Plasminogenaktivator, der von Streptokokken gebildet wird.
Zusammenfassung • Im ersten Schritt der Blutstillung bilden Thrombozyten einen instabilen Plättchenthrombus aus, der erst durch Fibrin richtig zusammengehalten wird. • Das Fibrin ist Produkt der Gerinnungskaskade, bei der sich die Gerinnungsfaktoren gegenseitig aktivieren, bis Thrombin entsteht, das Fibrinogen zu Fibrin umwandelt. • Man unterscheidet bei der Blutgerinnung die extrinsische von d&r intrinsischen Aktivierung. • Das Enzym Plasmln baut die Thromben wieder ab (Fibrlnolyse). Dazu sind Plasmlnogen-Aktlvatoren nötig.
Leber Die Leber nimmt im Körper zahlreiche wichtige Funktionen ein: Sie ist zentraler Knotenpunkt vieler Stoffwechselwege und kann fast alle Stoffwechselreaktionen durchführen. Auf diese Weise ist es ihr möglich, das innere Milieu aufrechtzuerhalten und den Stoffwechsel an die gegebenen Bedingungen anzupassen. Des Weiteren dient die Leber als Ausscheidungs- und Entgiftungsorgan sowie als Biosyntheseund Speicherort zahlreicher Stoffe. Stoffwechselleistungen
Die drei Hauptstoffwechselwege (Aminosäuren-, Kohlenhydrat- und Lipidstoffwechsel) wurden schon in den jeweiligen Kapiteln genauer besprochen. Hier sollen noch einmal die wichtigsten Stoffwechselleistungen der Leber zusammengefasst werden.
her (Glukoneogenese). In längeren Hungerperioden bildet die Leber Ketonkörper, die andere Organe zur Energiegewinnung nutzen können. Aminosäurenstoffwechsel
Die bei der Verdauung resorbierten freien Aminosä uren gelangen über die Pfortader zur Leber und werden dort weiterverarbeitet Dazu hat die Leber verschiedene Optionen: Sie kann die Aminosäuren zur Synthese von z. B. Plasmaproteinen nutzen, oder weiter abbauen und di e Produkte in die Glukoneogenese, Fettsäuresynthese oder Ketogenese ei nschleusen, bzw. energiebringend im Citratzykl us abbauen. Kohlenhydratstoffwechsel
Die Leber ist außer am Glukosestoffwechsel und seiner Anpassung an das bestehende An gebot (s.o., Resorptions-, Resorptionsphase vs. Postresorptionsphase) auch maßgebend Postresorptionsphase am Galaktose- und Fruktose-Stoffwec hGanz allgemein unterscheidet man zwei sel beteiligt. Nur in der Leber ist die VerstoffwechsArbeitsphasen der Leber: lung von Galaktose zu UDP-Glukose in großem Umfang möglich. Galaktose ~ In der Resorptionsphase, ca. 2- 4 Stunden nach Nahrungsaufnahme, ist ein Bestandteil der Laktose und vor allem in der Milch enthalten. herrscht ein Nährstoffüberschuss. Es Auch der Fruktose-Stoffwechsel spielt kommt zur Ausschüttung von Insulin aus dem Pankreas, und der Stoffwechsel sich überwiegend in der Leber ab. Sie verfü gt über eine spezifische Fruktokiwird auf Anabolismus umgeschaltet: nase, die Fruktose in Fruktose- I-PhosNährstoffe werden aufgenommen, phat umwandelt. Aus Fruktose- I-P hosverarbeitet und gespeichert, bZ\'1. zur phat können im Anschluss Substrate Baustoffsynthese verwend et. In der der Glykolyse gebildet werden. Dies ist Leber führt dies zur Umwandlung von auf zwei Wegen möglich: Glukose in Glykogen (Speicherform), überaus Fetten von bzw. zur Synthese ~ Fruktose- 1-P ~ Dihydroxyacetonschüssiger Glukose. + Glycerinaldehyd (Enzym: phosphat ~ In der Postresorptionsphase Aldolase B) 1-Phosphofruktoaldolase, werden die Nährstoffreserven langsam Fruktose-! ,6t~ pha os Ph I Fruktose ~ wieder knapper, und es wird vermehrt Dihydroxyacetonphos~ Gl ukagon aus dem Pankreas sezern iert. Bisphosphat phat + Glycerina ldehyd-3- Phosphat Dies führt zu einem katabolen Stoffwechsel mit Bereitstellung von NährLipidstoffwechsel stoffen aus den Reserven. Die Leber ist nun dazu angehalten, Gl ukose und Die Aufgaben der Leber im Lipidstoffand ere Energieträger für die übrigen wechselbeinhalten FettsäurekeltenOrgane zur Verfügung zu stellen. Sie verlängerungen bzw. -verkürzun gen, baut dafür Speicherstoffe (zunächst der Nahrun gsfette, TriacylAbbau Glykogen, dann Fette und Proteine) und Cholesterinstoffwechsel, glycerinab und stellt Glukose aus anderen Su bsverschiedene Sy nthesezudem und traten wie Aminosä uren oder Glycerin
Ieistungen . In der Leber werden die meisten Lipoproteine und ca. 90% des endogenen Cholesterins, sowie die Gallenfiüssigkeit produziert. Außerdem ist di e Leber das ein zige Organ, das zur Ketonkörperbildung befäh igt ist. Biosyntheseleistungen Plasmaprotein-Synthese
Die meisten Proteine, die im Blutplasma zirkulieren, werden von der Leber hergestell t. Sie bildet Albumin, a 1-, a 2- und ß-Globuline. Lediglich die y-Globuline [Im munglobuline) werden außerhalb der Leber von Plasmazellen synthetisiert. Die Plasmaproteine nehmen wiederum verschiedenste Aufgaben wahr. So ist die Leber an der Bildung von Transportproteinen (Albumin , Transferrin, Haptoglobin , Caeruloplasmin) , Immunproteinen [Komplementsystem, Aku te- Phase-Prote ine, Proteasehemmer C-reaktives Protein), Gerinnungsfakto- ' ren, Lipoproteinen und der Cholinesterase, di e ein wichtiger klinischer Leberfunktionsparameter ist, beteiligt. Synthese der Gallensäuren
ln der Leber wird außerdem die Gallenflü ssigkei t synthetisiert, deren Gallensäuren an der Verdauung fettreicher Nahrung beteiligt sind (s. a. Kap. 124 ). Die Gallensäuresynthese aus Cholesterin erfolgt im Wesentlichen durch: ~
Einführung von OH-Gruppen, Reduktion einer Doppelbindung (im B-Ring), ~ und Kürzung der Seiten kette um drei C-Atome. ~
Dadurch entstehen die primären Gallensäuren Cholsäure (Hydroxylgruppen an C3, C7 und C12) und Chenodesoxycholsäure (Hydroxylgruppen an C3 und C7), I Abb. I. Die Schrittmacherreaktio n der Gallensä urensynthese ist die C7-Hyd roxylierun g durch die hol esterin -7-a -Hydroxylase. Durch Konjugation der primä ren allensäuren mit Glyci n oder Taurin, die noch in der Leberzelle sta ttfind et, ents tehen die wasserlöslicheren Ga llen-
-------
Spezielle Biochem ie der verschie denen Organe
COOH
COOH
HO
HO Chenodesoxycholsäure
I
Cholsäure
Abb. 1: Chenodesoxycholsäure (l ink s) und Cholsäure (rechts)
salze [Giykocholsäure und Taurocholsäure, bzw. Glykodesoxycholsäure und Taurodesoxycholsäure). Sie werden nun ins Duodenum sezerniert, wo sie ihrer Aufgabe nachkommen können. Leber als Entgiftun gsorgan
Die Leber sorgt über den Harnstoffzyklus für die Entgi ftung von Ammoniak und ist in der Lage, über die Galle Substanzen direkt in den Darm auszuscheiden. Aber das sind nicht alle Funktionen des Ausscheidungsorgans Leber. Eine weitere ist die Biotransformation lipophiler Substanzen [körpereigene und körperfremde), die nicht renal oder über die Galle ausgeschieden werden kön nen. Sie werden von der Leber modifiziert und dadurch eliminierbar gemacht. Biotransf ormation
Die Biotransformation läuft in zwei Phasen ab, in denen die zu entgiftenden Moleküle schrittweise in hydrophile, ausscheidbare Moleküle umgewandelt werd en.
dies durch den Einbau polarer Gruppen (z _B. -OH, -NH 2, oder -COOH), oder selten auch durch die Entfernung funktioneller Gruppen [Desalkylierung, Desaminierung) oder hydrolytische Spaltung. Die wichtigsten Phase-I-Reaktionen sind NADP+-abhängige Oxidationsreaktionen, die von den mischfunktionellen, mikrosomalen Monooxigenasen katalysiert werden. Meistens enthalten die Monooxigenasen Cytochrom P450 , das durch seine Substrate induziert oder gehemmt werden kann und für viele Arzneimittelwechselwirkungen verantwortlich ist. Phase II: Konjugation
Damit das lipophile, zu eliminierende Molekül ausgeschieden werden kann, muss es mit einer stark polaren Substanz gekoppelt(= konjugiert) und da· durch wasserlöslich gemacht werden. Die Konjugation ist manchmal direkt möglich, oft müssen Stoffe aber erst Phase I der Biotransformation durchlaufen, bevor sie konjugiert werden NAD
H I
H 3 C-~-OH
122 1123
können, da ihnen zunächst die dazu nötigen funktionellen Gruppen fehlen. Substanzen, die zur Konjugation ge· eignet sind, und die entsprechenden Konjugationsreaktionen sind: ..",. UDP-Glucuronat (=aktivierte Glucuronsäure) ~ Glucuronidierung: Die UDP-Glucuronyl-Transferase koppelt Glucuronsäure an -OH, -NH 2 oder -COOH-Gruppen. . ",. PAPS[= aktiviertes Sulfat, 3-Phosphoadenosin-5-Phosphosulfat) ~ Sulfatierung: Die Sulfatase überträgt Sulfatgruppen auf -OH oder -NH 2-Gruppen. ..",. Glutathion ~ Thioätherbildung, ..",. Glycin ~ Methylierung, . ",. Acetyl-CoA ~ Acetylierung, . ",. Aminosäuren ~ Amidierung. Alkoholm etabolism us
Eine weitere Funktion des Entgiftungs· argans Leber ist der Abbau von Alkohol. Das aufgenommene Ethanol verteilt sich rasch im Organismus [v. a. in Gehirn und Muskulatur) und landet schließlich in der Leber, wo es über zwei Mechanismen abgebaut werden kann. Der größte Teil des Alkohols wird mithilfe des Enzyms Alkohol-Dehydrogenase (ADH) abgebaut (I Abb. 2). Nur ein kleiner Teil des Ethanols wird über das mikrosomale ethanoloxidierende System (MEOS) metabolisiert, das den Alkohol Cytochrom -P 450-abhängig oxidiert.
NADH + H
\..) .....
H Ethanol
I
Acetaldehyd
Acetat
Abb. 2: Abbau von Ethanol über die Alkohol-Dehydrogena se
Zusammenfassung Phase 1: Umbau funktione ller Gruppen
a Die Leber ist ein Knotenpunkt zahlreicher Stoffwechselvorgänge und
In Phase I werden di e Molekül e durch oxidative oder seltener durch reduktive Umwandlun ge n polarer und reaktions· freudiger ge macht, was oft gleichzeitig zu einer Inaktivierun g der Substan z (z. B. Arzneimi ttel) führt. Erreicht wird
a ln der Leberfindet unter anderem die Biosynthesen von Cholesterin,
reguliert so das innere Milieu des Körpers. Gallensäuren und vielen Plasmaproteinen statt.
a Die Biotransformation läuft in zwei Phasen ab. Nach der Modifikation des zu entgiftenden Stoffes (Phase I) folgt dessen Konjugation (Phase II).
Niere . ,._ primär-aktiven Transport: die Na+K+-ATPase transportiert unter ATP-VerDie Nieren sind für unseren Stoffwech - brauch 3 Na+-Ionen aus dem Tubul us, im Austausch wandern 2 K+-lonen aus sel sehr wichtige Organe. Obwohl sie weniger als I % unseres Körpergewichts dem Intersti tium ins Tubuluslumen. wiegen, verbrauchen sie 25%des Herz- 11>- Sekundär-aktiven Transport: Au fgrund des Konzen trationsgradienten minutenvol umens. (Na+-Konzentration ist im TubulusluZu ihren Aufgaben gehören: men höher als außen) strömt Natri um passiv aus dem Tubuluslumen. Mit ih m 11>- Entgiftun g und Ausscheidung schädim sog. Na+-Symport werzusammen, licher Stoffwechselprodukte Anionen wie Chi ari d oder Glucose, den 11>- Regulierung des Säure-Base- Haushalts Phosphate und Am inosäuren sekundär11>- Hormonsynthese: Erythropoietin, aktiv mit ins Interstiti um befö rdert. Renin, Calcitrial . ,._ Solvent drag: Der durch die Ver11>- Regulation des Wasserhaushalts schiebung der Elektrolyte entstehende . ,._ Harnbi ldung osmotische Gradient bewirkt, das Was11>- Sekretion und Resorption verschieser aus dem Tubulus ins Interstitium dener Stoffe strömt. Gemeinsam mit dem Wasser fli eßen weitere Stoffe wie Glucose oder Die Harnbildung Harnstoff zurück ins Blut. 11>- Shunts: Über Spalte zwischen den jede Niere enthält über I Million Tubuluszellen, sog. Parazelluläre Shunts Nephrone, welche die funktionellen können Cl-Ionen entlang dem vorlieEinheiten der Niere darstellen. In den genden Konzentrationsgefälle ins InterAbschnitten der Nephrone (I Abb. l ) sti tium gelangen. Im Gefolge strömen find et die Harnbildung statt NaT-, Mgk und Ca2+. Ionen. . ,._ glomeruläre Filtration 11>- tubuläre Resorption 11>- tubuläre Sekretion Funktionen der Nieren
Glomerul äre Filtration ' - f ~ ;'~, ' -
t
r
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•
•
Distaler Tubulus
•
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Rück resorption von Wasse r Im proximalen Tubulus werden bereits 70 %des im Glome rulum filtrierten Wassers zu rück ins Plasma resorbiert. Du rch di e Akti vität der Na+-K+·ATPase entsteht ein osmotischer Gradi ent, dem das Wasser fo lgt und so zurück ins Interstitium gelangt. In der Henle-Schleife werd en weitere 20% des ursprünglichen Filtrats rückresorbiert. Es en tsteht ein sog. Gegenstromsystemdurch die beiden nah aneinand er grenzenden auf- und absteigend en Schenkel der Schleife, die die we itere Kon zentri erung des Harns ermöglic ht. Im distalen Tubulus und im Sammetrohr werden noch einmal maximal I 0% des ehema ls filtrierten Wassers ins Interstitium zurückresorbiert Die Regulation dieses Vorgangs übernimmt das antidi uretische Hormon (ADH ). Benötigt der Körper Wasser, steigt der AD H-Spiegel und es werden Aquaporine im Sammelrohr einge baut, die den Rückfluss von Wasser ins Bl utplasma ermöglichen.
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Die glomeruläre Filtrationsrate {GFR) ist die Menge Primärharn, die alle Glomeruli in einer gewissen Zeiteinheit filtrieren. Die GFR ist abhängig vom Fil trationsdruck, der Größe der Filtrationsflä che, also der Zahl der Glomeruli sowie dem rena len Blutfluss und der Leitfähigkeit des Fi lters, also der Durchlässigkeit der Glomeruli .
Kapillarschl ingen des Glom erulus -
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Bowm ansche Kapsel
Proxi maler Tubulus
Vene
Arterie
Tubulä re Resorption Nur ei n kleiner Teil der 180 l Primärharn, die pro Tag gefiltert werden, wird letzten Endes auch von der Ni ere ausgeschieden. Der größte Teil des Wassers und der aus dem Plasma fi ltri erten Stoffe wird im Tubulussystem wieder zurückresorbiert und zurü ck ins Blut abgegeben. Fü r die Rückresorption gibt es mehrere Möglichkeiten:
Sammelrohr Tubulusapparat Henle 'sehe Schleife
I Abb. 1: Aufba u ei nes Nephrons 11 51
Spezielle Biochemie der verschiedenen Organe
1241125
Rück resor ption von Natrium 2
des glomerulär filtri erten Natriums werden gleich im proximalen Tubulus wieder zurückresorbiert Dies geschieht über die oben beschriebenen Mechanismen. Die genaue Menge Natrium, di e letztlich im Harn vorhanden ist, wird im Sammelrohr bestimmt. Aldostern (siehe unten) übernimmt hier die Regulation der weiteren Natriumrückresorption. Glucose und Aminosäuren werden vor allem im Symport mit Natrium und vor allem im proximalen Tubulus nahezu vollständig rückresorbiert / 3
Tubuläre Sekretion Im Tubulus find et neben der Rückresorption von Stoffen auch eine Sekretion statt. So kann eine vermehrte Ausscheidung gewisser Substanzen genau reguliert werden. Wichtig ist dies beim Kalium . 70% des im Glomerulum filtri erten Kaliums wird im proximalen Tubulus wieder resorbiert. Im distale n Tubulus sowie im Sammelrohr besteht die Möglichkeit, wieder Kalium zu sezernieren und im Austausch gegen Natrium ins Tubuluslumen zu beförd ern. Die Regulation dieses Mechanismus übernimm t das Hormon Aldosteron (s. S. 92). Ein erhöhter Aldosteronspiegel bewirkt eine vermehrte K+-Sekretion und somit eine erhöhte Na+-Rückresorption. Eine Erniedrigung des Aldosteronspiegels bewirkt genau das Gegenteil. Der Urin Dem letzten Endes von der Niere ausgeschiedene Endharn wurden zuvor ein Großteils der im Primärharn filtrierten Stoffe wieder entzogen. Da ein großer Teil des Wassers dem Harn wieder entzogen wird, ist die Konzentration der meisten Substanzen im Endharn höher als im Primärharn. I Tabelle I liefert eine Übersicht über di e unterschiedliche Konzentration einiger Substanzen im Primärharn sowie im Endharn.
Substanz
Primärharn
Endharn
Natri um
135- 150 mmol/1
15-150 mmol/ 1
Kalium
3,5 - 5 mmol / 1
30-300 mmol/ 1
Harnstoff
5 mmol/1
ca. 250 mmol/1
Phosphat
1-1,5 mmol/ 1
3- 20 mmol/1
Kalzium
2, 25-2,75 mmol/1
3- 6 mmol / 1
Chiarid
100-11 5 mmol/ 1
30 - 150 mmol/ 1
Harnsäu re
0,3 mmol/1
3 mmol / 1
Protei ne
10 mg/1
< 40 mg/1
I Ta b. 1: Kon zentration unterschiedlicher Stoffe in Primär- und Endharn
Stoffwechsel wichtigen Kalzitriols beteiligt. Der Kalziumstoffwechsel wird in Kapitel 86 besprochen. Erythropoietin Erythropoietin, auch EPO ist ein für die Hämatopoese und hier insbesondere die Bildung von Erythrozyten wichtiges Hormon. Es handelt sich um ein Glykoprotein. Dieses bindet an EPO-Rezepto· ren,die sich vor allem an Stammzellen im Knochenmark befinden und stimuliert so die Erythropoese. Genauer wird die Erythropoese auf Seite 118 erklärt. Die Synthese des Erythropoietins in der Niere findet im äußeren Mark und im Kortex der Niere statt durch die Tubuli umgebende Fibroblasten. Bei Sauerstoffmangel, der die Erythropoietinsynthese aktiviert, wird so die Möglichkeit gegeben, neue Erythrozyten zu bilden und den Sauerstofftransport zu verbessern.
Ren in Renin wird als Prorenin in Epitheloidzellen des juxtaglomerulären Apparats der Niere gebildet und dann in Granula gespeichert, in denen es zum fertigen Renin aktiviert wird. Renin wird ausgeschüttet, wenn der Blutdruck im Körper sinkt. Dieser Abfall wird in den afferenten Arteriolen der Niere registriert. Ein Blutdruckanstieg hemmt die Reninfreisetzung. Renin hat die Funktion, vom in der Leber produzierten Angiotensinogen Angiotensin I abzuspalten. Somit wird eine Kaskade in Gang gesetzt. Das An· giotensin-Converting-Enzym wandelt Angiotensin I in Angiotensin II um, welches nun seine Wirkung entfalten kann. Dies ist eine Kontraktion der glatten Gefäßmuskelzellen sowie eine Stimulation der Aldosteronsekretion. Beides hat einen Anstieg des Blutdrucks zur Folge.
Zusammenfassung • Zu den wichtigen Aufgaben der Niere gehören die Entsorgung schädlicher Stoffwechselprodukte, die Harnbildung und ihre endokrine Funktion. • Die Harnbildung findet in Nephronen, der kleinsten funktionellen Einheit der Niere statt. • Auf die glomeruläre Filtration folgt die tubuläre Rückresorption und Sekretion. Ein Großteil der filtrierten Substanzen wird im Tubulussystem wieder
Hormone der Niere Außer der Harn bildung hat die Niere noch eine endokrine Fun ktion. Sie bildet Erythropoietin sowie Renin und ist an der Syn these des für den Kalzium-
ins Blut zurückgeführt. • Die Niere ist an der Bildung von Calcitriol beteiligt. Außerdem werden in der Niere Erythropoietin für die Erythropoese sowie Renin zur Regulation des Blutdrucks produziert.
Verdauungsorgane I Unser Verdauungstrakt besteht aus Speiseröhre (Ösophagus), Magen, Dünndarm [D uodenum, Jejunum und Ileum), Dickdarm und Enddarm (Rektum ). Aufgaben dieser Organe sind die Aufbereitung der zugeführten Nahrung und die Resorption der für den Körper benötigten Sro ffe (Nährstoffe, El ektrolyte, Vitamine und Spurenelemente). Dazu werden die Nahrungsbestandteile während der Darmpassage in kleinste Bausteine zerlegt, da sie nur so resorbiert werden können. Alles, was der Körper nicht gebrauchen kann, wird einfach ausgeschieden.
Allgemeine Grundlagen zur Ernährung Zu den Nährstoffen zäh lt man Koh· lenhydrate, Lipide und Protein e bzw. Aminosäuren. Sie dienen uns in erster Linie als Energielieferan ten, weshalb man sie auch als Brennswffe bezeichnet. Am Ende des Abbaus aller Nährstoffe entsteht Acetyl-CoA, das durch Weiterverarbeitung in Citratzyklus und Atmungskette zur Bildung von C0 2 , HP und ATP, unserem wichtigsten Energieträger, Führt. Beim Abbau der Aminosäuren entsteht zusätzlich Ammoniak, das im Harnstoffzykl us entgiftet werden muss.
Energiebilanz En ergiebedarf Der durchschnittliche Energiebedarf des Menschen beträgt pro Tag ca. 1900 kca l (8000 kj ) in Ruhe, 2200 kcal (9200 kJ) bei leichter Arbei t und 4000 kcal ( 16 800 kJ) bei schwerer Arbeit. Die Werte hängen von Alter, Geschlecht, Körpergröße und Körpergewicht ab. So ist der Grundumsatz bei Frauen beispielsweise etwas geringer als bei Männern.
Energiegeha lt der Na hrung Bei normaler Ernährung nimmt der Mensch pro Tag durchschnittlich erwa 2700 kcal zu sich. Dabei machen die Kohlenhydrate durchschnittlich ca. 1230 kca l aus, während etwa 328 kcal in Form vo n Protei nen und ca. I 130 kca l als Fette zugeführt werde n. Wir ernähren uns demnach insgesamt zu fettig, was auf den zunehmenden Fleischgenuss unserer Gesellschaft zurückzuführen ist. ~ Respiratori scher Quotient: Das Verhältnis von ausgeatmetem co2ZU aufgenommenem 0 2 bezeichnet man als respiratorischen Quotienten (RO). Anhand dieses Wertes kann man Rücksch lüsse darüber ziehen, welcher Art die verstoffwechselten Substanzen angehören . Bei der Verbrennung vo n Koh lenhydraten (Glukose) wird genauso viel Sauerstoff verbraucht, wie C0 2 entsteht (C 6H120 6 + 6 0 2 ~ 6 C0 2 + 6 H20), derRObeträgt demnach bei ausschließlicher Aufnahme von Kohlenhyd raten 1,0. Die Verbrennung von Lipiden und Proteinen benötigt mehr Sauerstoff, daher fällt der RO hier unter I ,0. Er liegt bei Lipiden bei ca. 0, 7 und bei Proteinen (je nach Aminosäurenzusam mensetzung) in etwa bei 0,8. ~ Physikalischer und physiologischer Brennwert: Der Brennwert sagt etwas darüber aus, wie viel Energie bei der Verbrennung der verschiedenen Nährstoffe frei wird. Dabei muss man den physikalischen Bren nwert vom physiologischen Brennwert unterscheiden. Ersteren erhält man bei vollständ iger Verbrennung des Nährstoffs unter experimentellen Bedingungen, Letzterer entspricht der tatsächlichen Energie, die bei der Verbrennung durch den Organ ismus entsteht. Da Kohlenhydrate und Lipid e im Körper vollständig abgebaut bzw. verbrann t werden können, ist ihr physiologischer Brennwert gleich dem physikalisc hen. Beim Abbau von Proteinen hingegen bleib t Ammoniak , das nicht weiter abgebaut werden kann, übrig. Demnach findet keine vollständige Oxida tion statt, und der physikali sche ßrennw rt liegt etwas liber dem physiologischen. Der Br nnwert der Kohlenhydrate b trägt 17 kj / g und der
der Lipi de 39 kJ/g, Proteine ve rfügen über zwei Brennwerte (physikalischer: 23 kJ / g, physiologischer: 17 kJ /g) .
Nährstoffe Kohlenhyd rate, Proteine und Fette sind die Hauptbestandteile unserer Nahrung und werden als Nährstoffe bezeichnet. Während Kohlenhydrate und Fette hauptsächlich der Energiegewinnung dienen , werden die aufgenommenen Proteine wen iger zu Energie verstoffwechselt, sondern stattdessen in den anabolen Pro reinstoffwechsel eingeschleust. Daher reich t uns ei ne tägliche Protein zufuhr von mindestens 40 g (Eiweißminimum) oder idea lerweise von 70- 90 g (Eiweißoptimum) aus.
Verdauung Nahrungsresorption Die makromolekularen Nahrungsbestandteile müssen auf dem Weg durch den Verdauungstrakt {I Abb. 1) in klein ere, resorbierbare Untereinheiten gespalten werden, damit die einzelnen Näh rsto ffe aufgenommen werden können. Die Aufspaltun g geschieht hierbei durch die zahlreich en Enzyme des Gastrointestinaltrakts. Die Resorption der Nährstoffe erfolgt hauptsächlich in Duodenum und Jejunum, während eine der Hauptaufgaben des Ileums die ResorpUon von Cobalamin (Vit. B12) ist. Unverdaute Nah rungsbestandteile spi elen inso fern eine Rolle, als dass sie die Stuhlkonsistenz auflockern.
Verdauungsenzyme Di einzelnen Abschnitte des Verdau ungstraktes v rfüg n üb r spezifische Enzyme, w !ehe die Nahrungsbestandteile Schritt fü r Schritt aufspalten. Un-
Spezielle Biochemie der verschiedenen Organe
Enzym
Pankreasenzyme Galle Fettlösliche Vitamine (A, D, E, K) Kalzium, Eisen, Magnesium, Monosaccharide (Glukose, Xylose), Disaccharide
126
I 127
Funktion
Trypsin
Spa ltet Pro teine in Oligopepl ide
Chymot rypsi n
Spaltet Proteine in Oligopeptide
Carboxypep tidase A und B
Spa ltetC-terminaleAminosäuren aus Prote inen
Elas tase
Spaltet Elas tin und Kollagen
Lipase
Spaltet Triacylglycerin e
Choles terinesterase
Spa ltet Choleste rinester in Choleste ri n un d Fettsäu ren
Ribonuklease
Spa lte t DNA- und RNA-Molek üle in Nukl eo tide
(Pank reas-)o.-Amylase
Spa ltet Stärke und Glykogen in Maltose
I Tab. 1: Verd auungse nzym e des
Pankreas
Eiweiß Fett
Wasserlösliche Vitamine (C, Thiamin, Riboflavin, Pyridoxin, Folsäure)
Gallenflüssigkeit
Die Gallenflüssigkeit hat ihre Bedeutung bei der Verdauung von fetthaltiger Nahrung. Sie enthält Gallensäuren, die aufgrund ihres amphiphilen Charakters in der Lage sind, mit terstützt werden diese von den Verd auungssekreten aus Triacylglycerinen und anderen Fetten Mizellen auszubilden, Pankreas und Leber (Gallenflüssigkeit). wodurch diese von der Lipase besser abgebaut werden können. Außerdem sorgen die Gallensäuren zusätzlich für eine ..". Der Verdauungsprozess beginnt schon in der Mundhöhle, Aktivierung der Pankreaslipase. wo die Speicheldrüsen neben Mucin, das die Nahrung gleit· Die Galle wird in der Leber gebildet und besteht zu ca. 93 % fäh ig macht, auch die Stärke abbauende a-Amylase (Ptyalin) aus Wasser und zu ca. 2%aus Gallensäuren. Sie enthält au· sezernieren. ßerdem die ebenfalls für die Fettverdauung wichtigen Phos· ll- Oie Zellen des Magens unterstützen die Verdauung auf pholipide (z. B. Lecithin) sowie Gallenfarbstoffe als Abbauprodrei Wegen. Oie Belegzellen produzieren Salzsäure, die dukte des Porphyrinstoffwechsels (insbesondere Bilirubin), zur Denaturierung von Proteinen führt, an der Hydrolyse Cholesterin und Elektrolyte. Sie gelangt über den Ductus der Kohl en hydrate beteiligt ist und außerdem Pepsinogen zu hepaticus communis und den Ductus choledochus aus der Pepsin aktiviert. Weiterhin wird in den Belegzellen Intrinsic Leber ins Duodenum. Überschüssige Galle wird in der Galfactor gebildet, der für die Resorption von Vitamin B12 essen- lenblase gespeichert. Im Duodenum wirken die Gallensäuren ziell ist. Die Hauptzellen des Magens bilden die Endopepti· als Emulgatoren und erleichtern auf diese Weise den Fettdase Pepsin, die Proteine unspezifisch spaltet. Die Glykoabbau. proteine aus den Nebenzellen dienen dem Schutz der Magen- Aus den primären Gallensäuren Cholsäure und Cheno· mukosa vor Selbstverdauu ng. desoxycholsäure entstehen vor allem im Dickdarm die ll- Zahlreiche Verdauungsenzyme sind im Pankreassaft enthal- sekundären Gallensäuren Desoxycholsäure und Lithocholten (I Tab. 1), der du rch das Pankreas sezerniert und über säure. Dies geschieht durch die Einwirkung von Darmbakteden Ductus choledoc hus ins Duodenum geleitet wird. Er ent· rien, welche die primären Gallensäuren dekonjugieren und in hält zudem reichlich Bicarbonat, wodurch die Magensäure Position 7 dehydroxylieren. neutralisiert wird. Nur ca.l 0% der sezernierten Gallensäure werden tatsächlich ll- Auch der Dünndarm verfü gt über exkretorisch wirkende ausgeschieden, da der Großteil im Ileum über einen Na+-CoZellen. Sie sezernieren versc hiedene Verd auu ngsenzyme, transport sekundär-aktiv rückresorbiert wird. Die resorbierten wie Aminopeptidasen, Ente rope ptidase n, Phosphodiesterasen Gallensäuren gelangen über die Pfortader wieder in die Leber und Disaccharasen. zurück und können dort sozusagen "recycelt" werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als enterohepatischen Kreislauf. I Abb. 1: Resorptionsorte im Magen-Darm-Trakt [ 15)
Verdauungsorgane II Verdauung der einzelnen Nährstoffklassen
Diffusion passiv in die Mukosazellen gelangt.
Koh lenhyd rate
Lipide
~s~~!erin~
Das in unserer Nahrung en thaltene Fett setzt sich im Wesentlichen aus Triacylglycerinen zusammen, deren Zusammensetzung der unse rer Organlipide ähnelt. Während der Spaltungs- und Resorptionsvorgänge der Fettverdauung, kann es innerhalb der Triacylglyceride zum Austausch verschiedener Fettsäuren kommen, wobei die einzel nen Komponenten aber nicht verändert werden . Für unsere Ernährung spielen insbesondere die essenziellen Fettsäuren (Linolsäure, Linolensäure) und die halbessenzielle Fettsäure Arachidonsäure eine Rolle, da der Körper diese nicht selbst synthetisieren kann. Auch die fettlöslichen Vitamine müssen wir über die Nahrung aufnehmen.
(nicht-spezifische Lipase)
Den Hauptanteil der über die Nahrung zugeführten Kohlenhydrate macht die Stärke (Polysaccharid) aus. Sie ist als Reservestoff in pflanzlichen Zellen en thalten und kommt in großen Mengen in Getreide und Kartoffe ln vor. Andere Nahrungskohlenhydrate sind die Disaccharide Lactose und Saccharose, und die Monosaccharide Gl ucose, Fructose und Sorbit Abbau Ausschließlich Monosaccharide können über den Darm resorbiert werden. Größere Kohlenhydrate wie die Polysaccharide Stärke und Glykogen müssen vorher zu Monosaccharideinheiten gespalten werden. Dabei ist der Körper nicht dazu in der Lage, ß-glykosidischverknüpfte Kohlenhydrate zu spalten, da die dazu nötigen Enzyme fehlen . Man bezeichnet diese als Ballaststoffe. Eine Ausnahme bildet hier die Lactose, deren ß-glykosidische Bindung zwischen Galaktose und Glucose durch die Lactase gespalten werden kann. .,._ Die Spaltung der Polysaccharide erfolgt durch Amylasen aus dem Speichel und dem Pankreassaft Zunächst entstehen dabei noch höhermo lekulare Polysaccharidbruchstücke (Dextrine), die dann weiter zu Oligosacchariden und Disacchariden abgebaut werden (Maltose, Jsomaltose)_ .,._ Die entstehenden Disaccharide Maltose und Isomaltose werden im Folgenden durch Maltasen weiter abgebaut. Auch für die Spaltung der Nahrungsdisaccharide Saccharose und Lactose gibt es spezielle Abbauenzyme (Saccharasen, Lactasen) . .
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Abbau (I Abb. 1) .,._ Durch eine im Magen enthaltene Lipase werden die Triacylglycerine im Vorfeld verflüssigt, bevor die Triacylglycerinlipase des Pankreas die Fettsäurereste an der I'- und der 3' -Stellung abspaltet. Dabei entstehen v_a. ß-Monoacylglycerine und freie Fettsäuren. Die Gallensäuren helfen dabei , indem sie die Pankreaslipase aktivieren. .,._ Durch Diffusion gelangen die ß-Monoacylglcerine in die Mukosazelle, während die längerkettigen Fettsäuren mit Hilfe der Gallensäuren als Bestandteile von Mizellen (zusammen mit anderen fettlöslichen Substanzen) aufgenommen werden. Auch freies Nahrungscholes terin benötigt die Hilfe von Ga llensä uren, um resorbiert werden zu können. .,._ Innerhalb der Mukosazellen werden die Triacylglycerine wieder zusammengesetzt, und in Chylomikronen verpackt zusammen mit Cholesterin, Cholesterinestern und Phospholipiden über die Lymphe zur Leber transportiert. Kurzkettige Fettsä uren können auch über die Blutbahn (V. portae) zur Lebertransportiert werd en .
•
Resorption Die Resorption von Glucose und Galaktose im Darm erfolgt aktiv, während die Fructose durch erleic hterte
Proteine
Proteine werden in erster Linie als Aminosäu ren oder als kleinere Iigapeptide in die Enterozyten resorbiert.
Duodenum
Choleste nn eller
Phospholiplde
Trigiyzeride
Phospho-~
llpaseA
~
I Abb . 2: Verdauung der Lipide 1151
Abbau .,._ Als erster Schritt des Proteinabbaus werden die aufgenommenen Proteine im Magen durch Einwirken der Magensä ure denaturiert (=entfaltet) und anschließend durch die Endeprotease Pepsin in Polypeptide zerlegt. .,._ Vier Enzyme des Pankreas zerlegen die Polypeptidbausteine im Duodenum noch weiter. Dabei unterscheidet man Endepeptidasen (Trypsin und Chymotrypsin), welche die Proteine in der Mitte des Moleküls sc hneiden, von Exopeptidasen, die Proteine von ihrem Ende her abbauen, und zwar entweder vom C-terminalen Ende (Carboxypeptidase), oder vom N-term inalen Ende (Aminopeptidase) her. Resorption Die entsta nd enen Iigapeptide und Aminosä uren werd en im Duodenum resorbi rt, d r Transport erfolgt hauptsächlich sekundär aktiv. Bevor die
Spezielle Biochemie der verschiedenen Organe
Peptidbruchstücke ans Pfortaderblut abgegeben werden können, müssen sie zunächst endgültig zu Aminosäuren abgebaut werden, da sie nur in dieser Form ins Blut abgegeben werden können.
128 1129
Bildung von Mizellen nicht ausreichend funktioni ert, z. B. als Folge von GallensäurenmangeL Ursachen hierfür können eine Leberzirrhose [mangelnde Gallensäurenproduktion), oder auch eine Cholestase (Gallenstauung) sein. Die nicht resorbierten Lipide führen zum Auftreten von Fettstuhl und zu Durchfall und Blähungen(= Meteorismus), da deren Abbau durch Darmbakterien zur Bildung von Gasen führt. Mangelernährung- und Überernährung
Störungen der Verdauung
Bei den Verdauungsstörungen unterscheidet man grundsätzlich zwei Formen: die Maldigestion und die Malabsorption. Erstere bezeichnet eine Störung der enzymatischen Spaltung von Nahrungsstoffen, z. B. infolge einer Magenresektion, einer Pankreasinsuffizienz oder angeborener Enzymdefekte, Letztere geht mit einem gestörten Transport von Nahrungsstoffen aus dem Darmlumen in die Blut- bzw. Lymphbahn (enterale Resorption) einher und tritt z. B. bei Colitis ulcerosa, Morbus Crohn oder Zöliakie auf. Störungen der Digestion ~ Die Lactoseintoleranz basiert auf einem Mangel an Lactase in der Darmmukosa, was dazu führt, dass Lactose nicht mehr in Glucose und Galaktose gespalten werden kann. Die Lactose gelangt also unverdaut in den Dickdarm, wo sie durch die Darmbakterien in Essigsäure, Milchsäure, Kohlendioxid, Methan und Wasserstoff zersetzt wird. Dies wiederum führt zu einem Anstieg des osmotischen Drucks im Dickdarm, und es kommt zum Wassereinstrom ins Darmlumen und infolge dessen zur Diarrhö. ~ Störungen der Fettresorption können auftreten, wenn die
~ Im Hungerzustand passt der Körper seinen Stoffwechsel an den gegenwärtigen Nährstoffmangel an, und greift zur Gewährleistung der Energieversorgung auf seine Energiespeicher zurück. Als Erstes werden die Glykogenvorräte der Leber aufgebraucht, bevor auf den Verbrauch von Fetten und Proteinen umgeschalten wird. Die Gluconeogenese aus glucoplastischen Aminosäuren, Glycerin und Lactat gewährleistet einen Minimalbedarf an Glucose und hält den Blutzuckerspiegel aufrecht. Durch eine gesteigerte Lipolyse werden vermehrt Ketonkörper gebildet, was zur Entstehung einer Ketoazidose führt. Die Ketone können von den meisten Organen zur Energiegewinnung genutzt werden und führen zu einer Einsparung von Glucose und Proteinen. ~ Herrscht ein Überschuss an Nährstoffen, d. h. werden mehr Nährstoffe zugeführt, als entsprechende Energie verbraucht wird, so werden diese in Form von Fett gespeichert, wobei pro 8-9 überschüssige kcal 1 g Fett gespeichert wird. Während ein geringer Überschuss an Kohlenhydraten noch in Form von Glykogen gespeichert werden kann, führen größere Mengen an Kohlenhydraten zur Umwandlung in Fettgewebe. Auch Proteine werden, insofern keine Muskelaufbauphase besteht, in Fett oder Glucose umgewandelt. Folgen einer chronischen Überernährung sind Adipositas und sämtliche damit verbundenen Risiken.
Zusammenfassung X Um den durchschnittlichen Grundumsatz zu decken, benötigen wir eine
tägliche Energiezufuhr von etwa 1900 kcal (8000 kJ).
X Kohlenhydrate sollten idealerweise etwa 55%, Proteine 15% und Fette 30% unserer Gesamtnahrung ausmachen. • Die Hauptbestandteile unserer Nahrung' sind Kohlenhydrate, Proteine und Fette. Diese unterscheiden sich in Ihrem Energiegehalt und werden über unterschiedliche Mechanismen verdaut. • Der Abbau der Nahrungsbestandteile geschieht mithilfe verschiedener enzymhaltlger Verdauungssekrete, wie Speichel, Magensaft und Pankreassaft. Die Galle Ist v. a. für die Fettresorption von Bedeutung.
X Störungen der Verdauung können zu Diarrhö, Meteorismus und Mangelerscheinungen führen.
Das Muskelgewebe 111> Den Mittelpunkt zwischen zwei Z· Scheiben bildet die sogenannte M-Zone. Dies ist auch genau der Mittel punkt der die sich nach beiden Myosinfilamente, im Man untenei lt das Muskelgewebe erstrecken. lang gleich Seiten menschlichen Körper in quergestreifte 111> Der Bereich des Sa rkomers, in dem und glatte Muskulatur. Myosinfilamente sind , wird als nur Die Kontraktion der quergestreiften Ske· bezeichnet. H-Zone Jettmuskulatur steuern wir willkürlich, fo lgt die I-Bande, in Anschließend 111> es handelt sich um schnelle Komraktio· Myosinfilamente und Aktinsich der nen. Ebenfalls quergestreift ist die Herzüberlappen. muskulatur, deren Kontraktion aber 111> Den äußersten Bereich, in dem sic h nicht willkürlich steuerbar ist. Glatte Muskelzellen werden vom vege- nur Aktinfilamente befind en, bildet die A-Bande. tativen Nervensystem innerviert und unterliegen somit nicht der Willkürmo· Sarkoplasmatisches Retikulum torik. Sie findet man in den inneren Or· ganen sowie in den Wänden der Gefäße. und Sarkolemm Das endoplasmatische Reti kulum der In diese m Kapitel wollen wir uns auf den Skelettmuskel, dessen Kontraktions· Muske lzelle, auch sarkoplasmatimechanismus und seine Energiequellen sches Retikulum oder longitudinales System genannt, unterscheidet sich konzentrieren. von dem der restl ichen Zellen unseres Körpers. Es fun giert als Calciumspeicher Die quergestreifte Muskulatur und hat somit eine wichti ge Aufgabe bei der Kontraktion des Muskels. Jeder Skelettmuskel ist aufgebaut aus Muskelfaserbündeln, die wiederum aus Auch die Membran , welche die Muskelzelle umgibt, unterscheidet sich von der einzelnen Muskelfasern bestehen. Die Fasern sind aufgebaut aus Myofibrillen, normalen Zellmembran: An der Innenseite der Membran ist ein die sich aus vielen Sarkomeren zusam· Protein namens Dystrophin angelagert, mensetzen (I Abb. I). das die Membran stabilisiert. Au ßer· dem ist sie umgeben von einer Kollagen· Aufbau eines Sarkomers schicht, die an den Enden der Fasern die Beim Sarkomer handelt es sich um die kleinste funktionelle Einheit der Musku· Muskelsehn en bildet. Des Weiteren billatur. Die Grenze zwischen zwei sol· chen Sarkomeren bilden die Z-Streifen. Zwischen ihnen befinden sich Aktemyosine, alle Muskelproteine, die am • • · · Aktinfilament Kontraktionsvorgang beteiligt si nd:
Kontraktiler Apparat der Muskelzelle
111> In den Z·Scheiben verankert sind die dünnen Aktinfilamente . Bestandteile sind F·Aktin, Tropomyosin und Troponin, das die Bindung zwischen Aktin und Tropemyosin stabilisiert. Die End en der Filamente treffen sich nicht in der Mitte des Sarkomers. 111> In der Mitte des Sarkomers befi nden sich die dickeren Myosinfilamente. An einem Ende haben diese Filamente Köpfe, die einen ATP·Komplex binden könn en und ATPase Aktivität besitzen. Dieser Bereic h ist se hr wichtig für den Kontraktionsmecha nismus. Die Enden von Aktin- und Myosinfilamen ten über· Jappen sich.
l~~o++-+--l• ·;lone
11'1~~~""NI · · · ·
· H·Zone ;· :-
det sie quer zu den Muskelfa sern stehende Einstülpungen aus, die sogenannten T-Tubuli oder auch tra nsversales System. Diese befind en sich im Bereich der I-Bande, der Überlappung vo n Aktinund Myosinfilamenten. Sie helfen dabei das an der motorisc hen Endplatte anko~ mende Aktionspotential schnell über die gesamte Muskelfaser zu verteilen.
A·ßande :;
Das Zytoskelett Das Zytoskelett, in dem sich die oben genannten Proteine fü r die Kontraktion befind en hat die Aufgabe, der Muskel· zelle Hal t zu geben und sie zu stabilisieren. Es muss aber auch elastisch geba ut sein, um die Kontraktion zu ermöglichen. Innerhalb des Sarkomers sorgen Proteine wie Titin, Myomesin und a.·Aktinin für Halt. Außerha lb besteht ein System aus Intermediärfilamenten wie dem schon erwähnten Dystrophi n, das das Sarkom er in der Zelle stabilisiert. Mechanismus der Kontraktion
Auslösung der Kontraktion Durch ein Motoneuron wird ein Aktionspotential aus dem Rückenmark an die motorische Endplatte geleitet und auf di e Muskelfasern übertragen. Eine Gruppe von Muskelzellen, die von einem Motoneuron innerviert werden, bezeichnet man hierbei als motorische Einheit. Erreicht ein Aktionspotential die motorische End platte, so kommt es zur Ausschüttung von Acetylcholin, einem Transmitter, der bewirkt, dass das Akti·
Sarkomer
i- I-Bande :
Z·Streilen
···~---········ :
• · • • Myoslnlilament
I Abb. I : Aufb au eines Sa rk omers [18)
Spezielle Biochemie der verschiedenen Organe
130
I
131
Energieumsatz der Muskulatur Der Energieverbrauch des Muskels ist sehr hoch. Um diesen decken zu können, hat er verschiedene Möglichkeiten, um ATP zu gewinnen:
-d - AlP-Hydrolyse ADP und P; gebunden
"
~
Kraftentwicklung
~~ / _ 'ATPl· AlP
AlP -Bindung ---.. Myosinkopf vom Aktin gelöst
I Abb. 2: Kontraktionszyklus
[21
anspotential über die T-Tubuli die komplette Muskelfaser erreicht. Eine weitere Folge ist die Öffnung von Calciumkanälen im Sarkolemm und in sarkoplasmatischen Retikulum , was einen starken Einstrom von Calcium und in der Folge einen Anstieg der Calciumkonzentration ums Sarkomer bewirkt. Dies ist der auslösende Faktor der Kontraktion. Ablauf der Kontraktion Bei der Kontraktion gleiten die Aktinund Myosinfilamente ineinander. Es findet kei ne Verkürzung der Fibrillen statt. Dies läuft folgend ermaßen ab (I Abb. 2): Die Bindungsstellen fü r Calcium im Aktin werden nach Anstieg der Calciumkonzentration besetzt. Dadurch wird die Bindungsstelle für das Myosinköpfchen am Aktin fre i. Bei Bindung der Köpfchen des Myosi ns verä ndert sich deren ATPBindungsstelle so, dass ATP gebund en werd en kann. Dieses wi rd zu ADP + P1 gespalten. Durch diese Reaktion "kippt" das Myosinköpfc hen von seiner Ausgangsstellung, die in etwa senkrecht ist um 45° ab und zieht die Enden des Aktins in Richtungd er Mi tte des Sarkomers. Das ebu ndene ADP wird freigegeben un d die ATP-ßi ndun sst lle ist
frei. Bindet ein neu es ATP, löst sich die Bindung ans Aktin und ein neuer Kontraktionszyklus kann ablaufen. Diesen Zyklus nennt man auch OuerbrückenzykJu s. Die gesamte Verkürzung des Muskels setzt sich zusammen aus vielen solcher Zyklen verschiedener Sarkomere. Ein einzelnes abkippendes Myosinköfpchen führt nur zu einer zusätzlichen Überlappung von Aktin und Myosin um 5 nm.
..,. gespeichertes ATP: Das in der Zelle vorrätige ATP reicht bei Belastung des Muskels nur für ein paar Sekunden ..,. Kreatinphosphat Die Muskelzelle hat die Möglichkeit, aus der Umwandlung von Kreatinphosphat zu Kreatin ATP zu gewinnen. Katalysiert wird diese Reaktion von der Kreatin-Kinase. Die auf diesem Wege gewonnene Energie reicht etwa eine halbe Minute . ..,. Glucose: Das im Muskel gespeicherten Glykogen wird bei Bedarf zu Glucose abgebaut und dieses in der Glykolyse weiterverwertet Außerdem kann dem Blut Glucose entnommen werden. Das in der Glykolyse gewonnene ATP wird für die Kontraktion benötigt. Die in der anaeroben Glykolyse gewonnene Energie reicht für etwa 1,5 Minuten. Nach einer halben Minute Muskelarbeit setzt die aerobe Glykolyse ein. ..,. ß-Oxidation: Beim Abbau von Fettsäuren ent<;tehende Energie wird nach einigen Minuten verwendet, die Fettsäuren werden dem Blut entnommen. ..,. Ketonkörper: Energie aus dem Ketonkörperabbau wird im Hungerzustand für die Muskelarbeit benötigt.
Zusammenfassung IC Muskulatur wird unterteilt in quer gestreifte und glatte Muskulatur. Zur quer gestreiften gehört zum einen die willkürliche Skelettmuskulatur und zum anderen die nicht willkürlich steuerbare Herzmuskulatur. Glatte Muskulatur ist ebenfalls nicht willkürlich zu steuern. IC Das Sarkomer der Muskelzelle ist aufgebaut aus Aktin- und Myosinfilamenten. IC Bel der Kontraktion wird durch die AlPase-Tätigkeit des Myosinköpfchen ATP gespalten. Das Myosinköpfchen kippt ab und die Aktin- und Myosinfilamente gleiten ineinander. IC Die für die Kontraktion benötigte Energie wird aus in der Zelle gespeichertem ATP, aus Kreatinphosphat, aus Glucose, dem Abbau von Fettsäuren und Ketonkörpern gewonnen.
Das Nervensystem Aufbau des Nervensystems
.,_ eine durchgängige Basalmembran. Sie erstreckt sich über die Endoth elzellen, die Astro- und die Perizyten. .,_ eine li pidhaltige Endothelzellmembran . Diese sorgt zusätzlich für Wasserdich te.
Im Nervengewebe find et man einen hohen Anteil polarer Fette. Dieser ist in der weißen Substanz noch höher ist als in der grauen. Das liegt daran, dass die Membranen der Myelinscheiden Funktion und der markhaltigen Nervenfasern Für polare Su bstanzen ist die Blut-H irndurch den hohen Lipidanteil stabilisiert Schranke undurchlässig. Lediglich fettwerden . Außerdem gibt es im zentralen Nerven- lösliche Moleküle wie beispielsweise system (ZNS) Stoffe, die sonst im Körper Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Alkohol, Narkosem ittel oder auch verschi edene nicht vorkommen, wie zum Beispiel Drogen sind in der Lage, die Barriere Endorphine. Dies sind Peptide, die an zu passieren. den gleichen Rezeptoren wirken wie ere Stoffe können di e Schranke nur And ernde schmerzlind eine und Opiate Hilfe durchqueren. Diese fremder mit . haben Wirkung Hilfe können Carrier leisten, wie der GLUT 3 für Glucose oder aber IonenMyelin die ei nen aktiven Transport erkanäle, Axone die das Myelin ist das Gewebe, zu möglichen. besteht Es umhüllt. der Nervenfasern Bei Entzündungen und anderen Erkranetwa drei Vierteln aus Lipiden und zu kungen wie zum Beispiel der Multiplen etwa einem Viertel aus Proteinen. Je dicker die Myelinh ülle einer Nerven- Sklerose kann es zu einer Schädi gu ng der Blut-Hirn-Schranke kommen. Die faser ist, desto sch nell er ist dessen ErBarrierefunktion ist zerstört und andere regungsleitungsgeschwindigkeit. Die Substanzen können die Schranke passieMyelinscheiden sind Ausstülpungen ren. Erkennen kann man eine solche spezieller Gliazellen. Im zen tralen NerStörung anhand einer Liquorpunktion. vensystem sind dies die Oligodendrozyten , im peripheren Nervensystem Die Blut- Liquor-Sch ranke die Schwann'schen Zellen. Die Die Blut-Liquor-Schranke hat die Funk· Myelinsc heid en werden unterbrochen tion, die Liquorräum e vom Blutsystem von Aussparungen, den sogenannten abzutrennen. Ranvier'schen Schnürringen.
Aufbau
Die Blut- Hirn-Schranke wi rd gebildet durch: .,_ sogenannte Tightjunctions der Kapillarzellen. Die Tight junctions versch ließen die Zellzwischenräume und kontrollieren den Durchfluss von Molekü len.
.,_ Aerobe Glykolyse: Das Ge hirn verbraucht ca. I 00 g Glucose pro Tag, wobei es nicht die Möglichkeit hat, diese zu speichern , so nd ern auf die ständige Zufuhr aus dem Blut angewiesen ist. Die Aufnahme der Glucose gesc hieht unabhängig von Insulin über einen GLUT-3-Transporter. In der Glykolyse wird die Glucose nun, wie in Kapitel 54 beschrieben, abgebaut. .,_ Ketonkörper: Ist das Glucoseangebot des Bluts zu niedrig, so ist das Nervensystem außerdem in der Lage, durch den Abbau von Ketonkörpern Energie zu gewinnen. Der Ablauf des Keton körperabbaus wird in Kapitel 70 dargestell t.
Diese Schranke besteht aus
Sowohl die aerobe Glykolyse als auch der Ketonkörperabbau führen zur Entsteh un g von Acetyl-CoA. Dieses wird dann über Citratzyklus und Atmungskette zu ATP, also Energie umgewandelt (s. Kap 76+78).
.,_ der Basalmembran der Epithelzellen der Plexus choroidei ,
Erregungsweiterleitung und Neurotransmitter
Aufbau und Funktion
Die Blut-Hirn-Schranke Bei der Blut-Hirn-Schranke hand el t es sich um eine natürliche Barriere zwisc hen dem ZNS und dem Blutkreislauf.
Körpers und das, obwoh l das Gewicht des Geh irns nur etwa 2%des gesamten Körpergewichts beträgt. Der größte Teil di eser Energie wird zu r Aufrechterha ltung des Membranpotentials gen utzt, welches Erregungen sowie deren Weiterleitung ermöglicht.
.,_ Tightjunctions .,_ und den Endothelzellen der Blutkapillaren .
Erregungen werden über die Nerven in Form von Aktionspotentialen weiterge leitet (I Abb. l ). Diese dauern Die Basa lmembran der Plexus choroidei in Nervenze llen 1- 2 ms. Du rch eine Zunahme der Membranpermeabilität wird gebildet aus Kollagenen und Profür Na '-Ionen kommt es zum Einstrom teoglykanen (s. Kap. 134). diese r in die Zelle und das Memb ran Nu r Wasser, Sauerstoff, Koh lenstoffdi oxid und wenige weitere Molekü le sind potential steigt. Hat es eine gewisses in der Lage, diese Barriere zu passieren . Sc hwellenpotential erreicht, öffn en sich Natriumkanäle. Es kommt zu r DepolaNachd em für ei ne kurze Zeit risation. Energiegewinnung des ZNS ein positives Potential erreicht worden ist, öffn en sich Kaliumkanäl e. K•- tonen Unser Gehirn benötigt jeden Tag twa en aus der Zelle aus, es kommt ström 1600- 200 kj an Energie. Dies sind 20% des gesamten Energieumsatzes unser s zur Repolarisation . Nach Erreichen
Spezielle Biochemie der verschiede nen Organe
I
MP[mV]
+60 +40 +20
- - - - - - - - - - - -- - - -- - - - - - -, - - - - -
Abb. 1: Aktionsp otential [au s Speckmann, Physiologie]
I
De polarisation
0 - 20 -40 -60 -80
-- -
N achpotenzial I
~S
I
-- - ~-- - ------- ~-- - ·
'-v-'
1 ms
des Ausgangspotentials fi ndet noch eine Hyperpolarisation statt, die dadurch
entsteht, durch ein verzögertes Schließen der Kaliumkanäle. ln Nerven ohne Myelin werden die Aktionspotentia! e kontinuierlich weitergeleitet. Der unmittelbar folgende Bereich der Membran wird erregt. In myelinisierten Nerven hingegen findet eine saltatorische Weiterleitung der Erregung statt. Diese "springt" von einem Ranvier'schen Schnürring zum nächsten. Diese Form der Erregung ist viel schneller als die kontinuierliche. Für die Übertragung eines Reizes von einer Nervenzelle zur nächsten bzw. von einer Nerven- auf eine Muskelzelle sind Synapsen zuständig. Gelangt ein Aktionspoten tial an eine Synapse, so werden von der präsynaptischen Membran Neurotransmitter in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Diese besetzen Rezeptoren an der Postsynapse, um dort die gewünschte Reaktion auszulösen (I Abb. 2). Einige wichtige Neurotransmitter sind in I Tabelle I dargestell t Den wichtigsten der Überträgerstoffe, das Acetylcholin wollen wir nun noch einmal näher betrachten. An diesem
Zeit
Beispiel kann man auch den Vorgang verstehen, der abläuft, wenn eine Erregung eine Synapse erreicht: Die Nervenzellen sind in der Lage, aus Acetyl-CoA und Cholin Acetylcholin zu
1321 133
synthetisieren. ln der Präsynapse wird es in Vesikeln verpackt gespeichert. Gelangt ein Aktionspotential an die Synapse, wird Acetylcholin in den synaptischen Spalt ausgeschüttet Es bewirkt eine Öffnung von Na+-Kanälen an der Postsynapse, was dort eine Depolarisation zur Folge hat. Nun muss das Acetylcholin wieder aus dem Spalt entfernt werden, damit es nicht zu einer dauerhaften Erregung kommt Diese Aufgabe übernimmt die Acetylcholinesterase. Sie spaltet es in die Bestandteile Acetyl-CoA und Cholin, die wieder in die Präsynapse aufgenommen werden können und dort zur erneuten Synthese verwendet werden.
Präsynapse
..____ ___, • •• synapti scher Spalt
Postsynapse
••
Exozytose des •
Transmitters
Y ~ Y Rezeptor
[
J
I
Abb . 2: Erregungsübertra gung
an einer Synapse [11
Zusammenfassung X Das helle Aussehen der weißen Substanz des Gehirns kommt durch die Myelinisierung der Nervenfasern zustande. Die graue Substanz wird vom
ac
unmyelinisierten Gewebe gebildet. Die Blut-Hirn-Schranke sowie die Blut-Liquor-Schranke haben die Funktion, das Gehirngewebe bzw. den liquorraum vom Blutkreislauf zu trennen. Sie sind nur für wenige Substanzen durchlässig.
ac Das Gehirn hat einen sehr hohen Energieverbrauch. Es ist in der Lage, Tronemltter
Wirkunport
Acetylcholin
motori sche Endplatte, Parasympathikus, ZNS, präganglionäre Übertragung des Sympathikus
durch aerobe Glykolyse und, in Hungerzeiten, durch Ketonkörperabbau ATP zu gewinnen.
ac ln myelinisierten Nerven werden Erregungen saltatorisch weitergeleitet.
Noradrenalin
postganglionäre Übertragung des Sympathiku s
Dies ist um ein Vielfaches schneller als dle kontinuierliche Weiterleitung
Dopamin
hemmende Wirk ung im ZNS
der unmyelinisierten Nerven.
Glutamat
erregende Wirku ng im ZNS
GABA (GammaAmlnobunersäure)
hemmende Wirkung im ZNS
X An Synapsen werden Transmitter benötigt, um die Erregung von Präauf Postsynapse zu übertragen. Der wichtigste Neurotransmitter ist Acetylcholin.
I
Tab. 1: Neuro t ra nsmiu er und ihre Wi rk ungsorte
Das Binde- und Stützgewebe Das Binde- und Stützgewebe komm t in vielen Bereichen des extrazellulären Raums unseres Körpers vor_ Es kommt vor in Knochen, Knorpel, Bänd ern und Sehnen und ist unter anderem beteiligt am Aufbau der Blutgefäße, vieler parenchymatöser Organe und des Fettgewebes. Die Zellen, die für die Bildung des Bindegewebes zuständig sind, stammen alle von mesenchymalen Stammzellen ab. Sie bilden zusam men die sogenannte extrazelluläre Matrix: ..,. Chondroblasten: zuständig für die Knorpelbildung ..,. Fibroblasten: übernehmen die Produktion der Matrix in Sehnen und Bändern ..,. Osteoblasten: wichtig beim Aufbau des Knochens ..,. Endothelzellen: extrazelluläre Matrix in Gefäßen
Kollagentyp
Vorkommen
dann zusammen mit Kollagen und Glykoprotein en elastische Fasern bilden.
Knochen. Gefäße, Haut, Sehnen, Lunge Knorpel 111
Haut, innere Organe, Gefä ße
IV
Basalmembranen
I Tab. I: Ko llagen type n und ihr typisches Vorkom men
Synthese der Kollagene: Die Synthese der Kollagene geht von den Fibroblasten aus. Sie findet sowohl intra- als auch extrazellulär statt:
..,. Im ersten Schri tt werden a-Präprokollagen- Monohelices gebildet. In diesen Proteinen ist ungefähr jede dritte Aminosäure Glycin und jede fünfte Prolin. Beid e sind sehr wichtig für den Aufbau der Kollagene. ..,. Durch Abspaltung des Signalpeptids entsteht nun Prokollagen. ..,. Im dritten Schritt werden die entstanMonohelices durch Knüpfung denen Makromoleküle der extravon Disulfidbrücken zu Tripelhelices zellulären Matrix verbunden. ..,. Hydroxylierung eines Teil der Proproduzieren Zellen Die oben genannten (etwa 50 %) und der Lysinreste linfolgenaus die Matrix, die extrazelluläre 80 %) füh rt zu einer Stabilisierung 0l ( besteht: Makromolekülen den der Tripelhelices. Außerdem kommt es ..,. Kollagene zu einer Glykosylierung von Hydroxy..,. Elastin lysinresten _ ..,. Proteoglykane ..,. Als Nächstes werden die Prokollagen..,. Hyaluronsäure Tripelhelices in den extrazellulären Raum sezerniert. Kollagen e ..,. Dort findet eine Abspaltun g N- und C- terminaler Peptidreste durch Peptidasen statt. Produkt sind fertige Kollagenmoleküle, die sich zu Mikrofibrillen zusammenlagern . ..,. Letzter Schritt ist eine Ouervernetzung der Mikrofibrillen durch Aldehyd Sie kommen in großer Menge vor und gruppen. Dies fü hrt zu einer weiteren bild en fast ein Drittel der Gesamtproteine des menschlichen Körpers. In unter- Stabilisierung. schiedlichen Geweben kommen verEl astin schiedene Subtypen des Kollagens vor. Funktion des Elastins ist es, Wichtigste Man unterscheidet zwischen fibrillären elastische Eigenschafegewebe Bind dem und nichtfibrillären Kollagenen. Eine wird vor al lem Dies verleihen. zu ten Auswah l der großen Anzahl unterVolumen - und ße gro wo benötigt, dort schiedlicher Typen zeigt I Tabelle 1. Die hen : l n Arherrsc Druckschwankungen Subtypen I- Ill sind fibrillär und machen Respiradem Stimmbändern, den en, teri 90 % aller Kollagene aus. Typ IV ist der tionstrakt und der Haut. wichtigs te Vertreter der nichtfibrillären Während der Synthese polymerisi r n Kollagene und betei ligt am Aufbau der Elastinmoleküle zu Aggregaten, die Basaimembranen.
Proteoglyka ne Hierbei handelt es sich um Pro teine mit Kohlenhydratseitenketten. Die Seitenketten bestehen aus repetitiven Disaccharideinheiten. Ei nes der Saccharid e ist meistens ein Hexosa min_ Man bezeichnet diese Seitenketten auch als Glykosaminoglykane. Sie sind nega tiv geladen, was ihnen ermöglicht, Molekü le reversibel zu binden. Funktion der Proteoglykane ist die Bindung von Wasser, das dem extraze llulären Gewebe wie ein Polster Elastizität verleiht. Hyalu ro nsäure Hya luronsäure besteht ebenfalls aus Glykosaminoglykanen, hat aber keinen Proteinan teiL Aufgebaut sind die Disaccharid e aus N-Acetylglycosamin und Glucuronsäure . Die Funktion der Hyaluronsäure gleicht derer der Proteoglykane, sie sorgt durch Wasserbindung für Elastizität.
Knochen Beim Kn ochen hand elt es sich um Stützgewebe, das an sämtlichen Bewegungen des Körpers beteiligt ist. Es schützt die Organe und fungiert außerd em als Calcium- und Phosphatspeicher. Bestandteile des Knochens Zu 70% besteht Knochen aus anorganischen Substanzen. Den größten Te il dieser Masse bildet Hydroxylapatit, außerdem sind Minera lien enthalten. 20% des Kn ochens werden von organischen Substanzen gebildet: extraze lluläre Matrix, Kollagen, vor allem Typ l, Osteoblasten und Osteoklasten. l 0% des Kn ochens bestehen aus Wasser. Im Knochen unterscheidet man die Substanti a compacta von der Substantia spongiosa. Di e Substantia compacta bildet die b rfläche aller Knochen und Schäfte der mit gelbem Fettmark ge füllten Röhrenknochen. Es hand lt sich um eines hr dichte Mas ·e, die dem Kn chen tabilität v rl eih t.
Spezielle Biochemie der verschiede nen Organe
Substantia spongiosa find et sich in den Epiphysen der Röhrenknochen und füllt die flach en Knochen vollstandig aus. Diese locker gebaute Masse enthält das blutbildende Knochenmark. Knochenaufbau Beim EIWBchsenen herrscht zwischen Knochenaufbau und Knochenabbau ein Gleichgewicht. Für den Aufbau sind die Osteoblasten, fOr den Abbau die OsteoIdasten zuständig.
Der Knochenaufbau läuft fo lgend er· maßen ab:
ten an die Oberfläche des Knochens an und bilden dort ein Kompartiment, die sog. Howship-Lakune. .".. In diese Lakune werden nun Protonen abgegeben. Zuständig hierfür ist eine H+-ATPase. Die H+-Ionen sorgen für ei ne En tmineralisierung des Knochens. Die Osteok.lasten nehmen die freiwerdenden Calciumionen und weitere Mineralien auf und geben sie ans Blut ab. .".. Für die Auflösung des Osteoids sezernieren die Ostecklasten Phosphatase und Proteasen in die Lakunen. Die Abbauprodukte werd en von den Osteoklasten an Lysosomen
1341 135
weitergegeben und dort fertig abgebau t. Regulation von Knochenaufbau und -abbau Die in den Knochen eingemauerten Osteoblasten und Ostecklasten stehen über sog. Gap-junctions miteinander in Verbindung. Dies dient zum einen der Versorgung der Zellen mit Nährstoffen, zum anderen der Übertragung von Informationen, zum Beispiel der Signale von Hormonen und anderen Botenstoffen. Diese regulieren Synthese und Abbau des Knochens. Die Wirkung der verschiedenen Stoffe zeigt I Tabelle 2.
.".. Die für den Knochenaufbau zuständigen Osteoblasten produzieren die Knochengrundsubstanz, das Osteoid. Wirkung Dieses besteht ZU etwa 90 % aus KollaBotenstoff gen Typ 1, aus Proteoglykanen sowie Wach stum shormon Stimulation der Osteoblasten --------- ---------- ----------------- ---------- -------Matrixprotein en. Kalzitrial (Vitamin-0 -Harmon) Stimul ation der Osteoblasten ----~------~~--------------------------------------.... Nach Bildung des Osteoids wandeln Parath ormon Freisetzung vo n Interleukin t und Kollagenase aus Osteobla sten füh rt zu einer sich die Osteoblasten zu Osteozyten Demineralisierung des Knochens und Erhöhung des Calciumspiegels im Blut. Außerdem Stimulation der Osteoklasten um. Diese haben als Aufgabe die Mine- · ralisation des Knochens. Hemmung der Osteobl asten Glukokortikoide Stimulation der Ostecklasten .".. Für die Mineralisation speichern Östrogene Stim ulation der Osteoblasten die Osteozyten Kalziumphosphat in Hemmung der Ostecklasten Vesikel verpackt Diese Vesikel geben Interleukin 1 Stimulation der Ostecklasten sie in den Extrazellulärraum ab. Die Kalzitonin Hemmung der Ostecklasten Calciumphosphate fallen dort aus und führen zu einer Kalzifizierung des KnoI Tab . 2: Regulation d es Knochenstoffwec hsels chens . .".. Die Osteozyten selbst bleiben in der nun fertigen Knochensubstanz gespeichert. Embryologisch wird der größte Teil der Knochen zuerst als Knorpel angelegt, der dann zu Knochen umgebaut wird. Diesen Vorgang nenn t man chondrale Ossifikation. Gesichtsknochen sowie die des Schädels werd en ohne diese Vorstufe gebildet. Es handelt sich um desmale Ossifikation. Knochenabbau Osteoklasten, die für den Abbau der Knochensubstanz zustä ndig sind, sind mehrkern ige Riesenzellen, die von Monozyten-Makrophage n-Stamm zellen abstammen. Der Abbau des Knochens: .".. An Stellen, wo Kn ochen abgebaut werden soll, Ia rn sich die steoklas-
Zusammenfassung X Binde- und Stützgewebe bildet die extrazelluläre Matrix des Körpers. Sie besteht vor allem aus Kollagen, Elastin, Proteogiykanen und Hyaluronsäure. X Wichtige Aufgaben sind die StOtzfunktion und die Verleihung von Elastizität. X Kollagene bilden den Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix. Die verschiedenen Subtypen sind unter anderem wichtig beim Knochen- und Knorpelbau und Bestandteile vieler anderer Gewebe. X Knochen sind aufgebaut aus organischer sowie anorganischer Substanz. Für den Knochenaufbau sind die Osteoblasten zuständig, den Abbau übernehmen die Osteoklasten. X An der Regulation des Knochenumbaus sind verschiedene Hormone zuständig. Beim Erwachsenen findet ständig Knochenaufbau und Knochenabbau parallel statt.
Versuche
138 140 142 144
Versuch Versuch Versuch Versuch
I II 111 IV
Versuch 1: Serum elektro phores e Kasuistik Ein 63-jähriger Patient kommt zu Ihnen in die Praxis. Er klage seit etwa 6 Monaten über Müdigkeit und mangelnde Belastbarkeit. Außerdem sc hwitze er in der Nacht ziemlich viel, was ihm sehr unangenehm se i. Auf Nachfrage gibt der Pati ent an, innerhalb der letzten Zeit 4 kg abgenommen zu haben, obwohl er eigentlich normal gegessen habe. Bei der körperlichen Untersuchung fiel neben Lymphknotenschwellungen (Lymphadenopathie) ein verringertes Vibrationsempfinden (Pallhypaesthesie) als Hinweis auf eine beginnende Polyneuropathie auf. In der abdominellen Sonographie konnte zudem eine Vergrößerung der Milz nachgewiesen werden (Splenomegalie). Bei der geschilderten B-Syrnptomatik (Abgeschlagenheit, Nachtschweiß, Gewichtsverlust) und den auffälligen Untersuchungsbefunden (Lymphadenopathie, Splenomegalie ) stellte sich der dringende Verdacht auf eine hämatologische Erkrankung. An Diagnostik wurde neben bildgebenden Verfahren und einer histologischen Untersuchung des Knochenmarks bzw. der Lymphknoten auch eine Elektrophorese der Serumproteine durchgeführt, die einen typischen Befund ergab (I Abb. 2, E).
Serumelektrophorese Unter Elektrophorese versteht man die Auftrennung verschiedener Substanzen durch Anlegen einer elektrischen Span nung. Da die verschiedenen Proteine bei einem bestimmten pH-Wert eine unterschiedliche Anzahl von Ladungen tragen, unterscheiden die sich in ihrer Wanderungsgeschwindigkeiten im elektrischen Feld. Diese Methode wird in der Klinik routinemäßig zur Auftrennung der Serumproteine verwendet, die sich aufgrund ihrer Wanderungsgeschwindigkeiten in fünf Gruppen einteilen lassen (Albumin, a1, a z, ß, y). Abweichungen vom typischen Vertei lungsmuster (I Abb. I ) können Hinweise auf Erkrankungen liefern.
trisehen Feld im Wese ntlichen von zwei Faktoren ab: von der Größe und Gestalt des Teilchens und von seiner Ladung. .,.. Positiv geladene Teilchen (Kationen) wandern im elektrischen Feld in Richtung der Kathode, während sich negativ geladene Teilchen (An ionen) auf die Anode zubewegen. Teilchen, die sowo hl positiv als auch negativ geladen sind , besi tzen eine sog. Überschussladung bzw. Nettoladung. Diese ergibt sich aus der Summe aller (positiven und negativen) Ladungen und ist von Protein zu Protein unterschiedlich. .,.. Der Beschleunigung des Tei lchens im elektrischen Feld wirkt dessen Reibung entgegen . Wie groß diese ist, hängt von der Größe und der Gestalt des Teilchens ab_
Versuchsdurchführung Damit Proteine im elektrischen Feld wandern, müssen sie im gelad enen Zustand vorliegen. Ob Proteine geladen oder ungeladen sind, hängt wiederum vom pH -Wert der Lösung ab, die sie umgibt. Damit die elektrophoretische Auftrennung der Serumproteine also gelingt, lässt man sie in einer Lösung ablaufen, die einen alkalischen pH -Wert aufweist, dem sog. ElektrophoresePuffer_ Die Proteine geben hier ihre H+Ionen ab und nehmen eine negative Ladung an. Trägt man das Serum nun in der Nähe des Minus-Pols (Kathode) auf, so wandern sie nach Anlegen einer Spannung unterschiedlich sc hnell in
Ce ll uloseacetat-E lektrophorese Bei diesem Versuchsaufbau wird das Serum auf einen in Pufferlösung (pH 8,2 bis 8,6) getränkten Cell uloseacetatstr eifen au fge tragen. Anschließend wird eine Spannung von in der Regel 200 - 250 y angelegt, und die Proteine begeben sich auf Wanderschaft. Die gängige Laufzeit einer Elektrophorese beträgt ca. 20 Minuten. Danach müssen die zu nächst unsichtbaren Proteine durch einen Proteinfarbstoff eingefärbt werden, man verwendet dazu z. B. Arnidoschwarz oder Ponceau- Rot Der Celluloseacetetstreifen selbst wird in mehreren Entfärbebädern (z. B. Eisessig-Methanol-Ethanol-Gemisch) entfärbt, so dass nur noch der ans Prolein geb undene Farbstoff übrig bleibt. Auf dem Streifen si nd jetzt fünf verschiedene Farbbanden zu sehen die unterschiedlich breit sind und deren' Intensi tät variiert. Sie stellen die verschiedenen Elekrophoresefraktionen der Serumproteine dar. Die Intensität der Färbung wird mittels Photometrie erfasst und quantifiziert. Sie ist proportional zur Proteinmenge, man kann also aus ihr den relativen Anteil einer Proteinfraktion am Gesamtproteingehalt errechne n. Ist die Gesamtprotei nkonzentration bekannt, lassen sich daraus
Ii
lj
\ Normalbefund
Richrung der Anod e und werden somit in verschiedene Fraktionen aufgeteilt. Zur Elektrophorese wird das Serum auf ein Trägerm aterial aufgetragen. Im Laboralltag haben sich hierfür insbesondere zwei Materialien durchgesetzt: Celluloseace tat und Agarose-GeL Diese beid en Methoden sind sich im Versuchsaufbau sehr ähnlich, daher besc hränken wir uns auf die Beschreibung der Celluloseacetat-Eiektrophorese.
ir
"---
Albumin
fl
Grund lagen Allgem ein hängt die Wand erungsgesc hwindigkeit eines Teilchens im elek-
I Abb . I : physiologisch Kurve einer Serumelek trophore e 11 51
Versuch 1
a
akute Entzündung
e
Leberzirrhose
138
I 139
I
Abb. 2: Elektropherogramme verschiedener Erkrankungen
M. Waldenström
t b
chronische Entzündung
t
d
nephrotisches Syndrom
absolute Erhöhung/Erniedrigung
Plasmozytom
t
t
relative Erhöhung
auch Absolutkonzentrationen für die einzelnen Fraktionen ableiten.
hung dieser Fraktionen, insbesondere der a 2-Fraktion (I Abb. 2, a).
dert, während die a- und ß-Fraktionen relativ erhöht sind (I Abb. 2, d).
Auswertung
Chronische Entzündung Hält eine Entzündungsreaktion länger an, so kommt das spezifische Immunsystem ins Spiel. Es reagiert mit einer gesteigerten Produktion von Immunglobulinen (vor allem IgG), infolge derer die y-Giobuline absolut und relativ erhöht sind (I Abb. 2, b).
Morbus Waldenström Dem Morbus Waldenström liegt eine Proliferation eines Plasmazellklons zugrunde. Dieser produziert Immunglobuline der Klasse M, was dazu führt, dass die linke Flanke der y-Globulinfraktion spitzenförmig erhöht ist (I Abb. 2, e) Die typischen Symptome des M. Waldenströms sind Müdigkeit, B·Symptomatik, Blutungsneigung, Lymphknotenschwellungen, Hepatosplenomegalie und Polyneuropathie (s. Kasuistik).
Bei der Auswertung der Elektrophorese ergibt sich ein typisches Diagramm, in dem die fünf Wanderungsfraktionen dargestellt sind (I Abb. I). Die höchste Spitze bildet das Albumin, das den größten Anteil der Serumproteine ausmacht. Die anderen Fraktionen (a 1, a 2, ß, und y) stellen sich viel flacher dar. Aus den Flächen unterhalb der Kurve lässt sich der prozentuale Anteil der Fraktionen am Gesamtprotein berechnen (Albumin: 60 %,a 1:4 %,a2:8%,ß: 12 %,y: 16%). Pathologische Elektroph erogramm e
Das Elektropherogramm kann bei verschiedenen Erkrankungen verändert sei n. Bei der Auswertung muss man beachten, dass es sic h bei den Prozentwerten nur um relative Werte handelt, d. h. wenn eine Fraktion vermindert ist, steigen die and eren automatisch relativ an. Akute Entzündung Als Folge einer akuten Entzü ndun g komm t es in der Leber zu r vermehrten Bildung de1· Akute-! hase·Protein e, die hauptsächlich in den a ·Frak tionen der Elektrophorese laufen. E kommt also zu einer relativen und absoluten Erhö-
Leberzirrhose Bei einer Leberzirrhose ist die Proteinsynthese in der Leber gestört. Dies macht sich vor allem an dem Abfall der Serum-Albuminkonzentration bemerkbar, aber auch der Gesamtproteingehalt ist vermindert. Außerdem kommt es zu einem Anstieg der ß- und der y-Giobulinfraktionen, was sich durch den Rückstau des Blutes über die Pfortader in die Milz erklärt. Dieser führt zu einer vermehrten Produktion von Antikörpern in den Plasmazellen der Milz (I Abb. 2, c). Nephrotisches Syndrom lnfolge mancher Nierenerkrankungen tritt das nephrotische Syndrom auf, bei welchem es durch Barrierestörungen in den Nierenglomeruli zur erhöhten Aus· scheidungvon Albumin kommt. Folglich ist die Albuminfraktion in der Elektrophorese abso lut wie relativ vermin·
Plasmozytom Die Pathologie des Plasmozytoms (= Multiples Myelom) ähnelt der des Morbus Waldenströms, allerdings mit ein paar wesentlichen Unterschieden. Beim Plasmozytom handelt es sich um einen bösartigen Tumor, der massiv Antikörper, und zwar vorwiegend lgG (55%) oder lgA (25 %], produziert. Infolge der extrem gesteigerten Antikörperproduktion zeigt sich im Elektropherogramm ein hoher, schlanker Gipfel im Bereich der rechten y-Globulin-F ianke (I Abb. 2, f).
Versuch II: Photometrische Messung der LOH-Aktivität Die Lactat-Oehydrogenase (LDH) ist ein Enzym, das im Zytoplasma nahezu aller Körperzellen vorkommt. Sie katalysiert die reversible Umwandlung von Pyruvat zu Lactat, was gleichzeitig zur Oxidation von NADH / H+ zu NAD• führt. Mittels eines ein fachen optisc hen Tests, der Photometrie, kann die Enzymaktivität der LDH gemessen werden.
Lichtquelle
Küvette
Beugungsgitter
weißes Licht
gemessene Extinktion
monochromatisc hes Licht
I Abb . 1: Prinzip der Ph otometrie
Grundlagen
Prinzipien der Abso rptions photometrie Die Photometrie ist eine gängige Methode zur Bestim mung von Konzentrationen gelöster Stoffe. Das Prinzip der Photometrie beruht darauf, dass gelöste Stoffe einfallendes Licht absorbieren, wobei die Menge der Absorption von der Stoffkonzentration abhängt. Dabei absorbiert jeder Stoff nur Licht einer bestimmten Wellenlänge. Um also die Konzentration eines Stoffes photometrisch zu bestimmen, wählt man monochromatisches Lich t, d. h. man wählt den Wellenlängenbereich aus, der von den gelösten Molekülen, deren Konzentration zu ermitteln ist, absorbiert wird. Dies ermöglicht eine selektive Bestimmung einzelner Stoffe in einer Lösung. Mittels eines Beugungsgitters (sog. Gitter-Monochromator) kann der gewünschte Wellenlängenbereich aus dem weißen Licht einer Lichtquelle herausgeschnitten werden. Bestimmung von Konzentrationen gelöster Stoffe Bestrahlt man eine Küvette, die die zu untersuchende Lösung enthält, mit monochromatischem Licht, so wird ein Teil des Lichts durch den gelösten Stoff absorbiert. Das Licht, das hin ter der Küvette austri tt, ist also in seiner Intensität (I) im Vergleich zu m ein fallenden Licht (Intensität 10 ) gemindert. Mittels Photom eter kann man nun aus diesen beid en lntensitäten die sog. Transmission, also den Ameil des eingestrahlten Lichts, der von der Küvette durchgelassen wird, bestimmen. Transmission T = 111 0 Um aber die Kon zentra tion erm itteln zu können, benötigt man den Antei l des
eingestrahlten Lichts, der absorbi ert worden ist, die sog. Extinktion. Diese berechnet sich aus dem LambertBeer'schen Gesetz: Extinktion E = lg {1 /T) =-lg T =- lg 111 0. Daraus ergibt sich fol gender Zusammenhang zwischen der Transmission und der Extinktion (I Tab. I ): Aus der Extinktion kann man sich die Konzentration errechnen, wenn man bedenkt, dass die Extinktion der Konzentration des gelösten Stoffes (c) und der Schichtdicke der Küvette (d} proportional ist, d. h. E = c x d x c: . Zusätzlich benötigt man noch einen weiteren Wert, den Extinktionsk oeffizienten (~:). Für jeden Stoff gibt es einen spezifischen Extinktionskoeffizienten, den man entweder aus der Literatur entnehmen, oder für den Fall, dass man ein Stoffgemisch un te rsuch t dann gibt es keinen definierten Extinktionskoeffizienten - selbst erm itteln kann. Letz teres geschieht durch Messung von Standardlösungen mit bekannter Konzentration des zu bestimmend en Stoffes un ter den jeweiligen Reaktionsbedingungen.
Von der errechneten Extinktion muss noch der sog. Blindwert {E 0 ) abge· zogen werden. Dieser entspr.icht der Extinktion der Küvette, wen n der zu bestimmende Stoff noch nicht darin enthalten ist. Er ist sozusagen ein Leerwert der unabhängig von der Konzentration ' des zu ermittelnden Stoffes ist, und u. a. durch die Reflektion an der Küvette und die Absorption des Lösungsmittels zustande kommt.
Bestimmung der LOH-Aktivit ät Die Lactat-Oehydrogenase (LOH) ist ein Enzym, das die Umwandlung von Pyruvat zu Lactat katalysi ert. '. "~~. 'f'.l""~:'"'•'r.\Or~.~ ~v ,....-:;.~
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Um die Aktivität eines Enzyms zu bestimm en, muss die Umsatzgeschwindigkeit der katalysierten Reaktion gemessen werden. Diese erhält man durch Messung der Entstehung oder des Verbrauchs eines Reaktionspartners pro Zeiteinheit.
NAD/ NADH Ein Reaktionspartner der LDH ist das NADH (Nicotin-(säure )amid-adenindinucleotid), ein Coenzym, das bei der Umwandlung von Pyruvat zu Lactat als
Extinktion
Trenomloolon
%
Dezimal-
bruch - lg I • lg I • 0
100 10
0.1
0
0. 1
- lg 0. I • lg I 0 • I
0.0 1
- lg 0.0 I • lg I 00 • 2
0.00 I
- lg 0.00 I • lg 1000 • 3
0
- lg 0 • un ndllch
I Tab. 1: Zusa mm nh ang zwi schen Transmission und Extin ktion
Versuch 2
Reduktionsmittel dient. Praktischerweise absorbiert bei einer bestimmten Wellenlänge (340 nm) von den fünf Reaktionspartnern nur das NADH (I Abb. 2), man wählt also zur photometrischen Bestimmung der LOH-Aktivität monochromatisches Licht mit einem Wellenlängenbereich zwischen 320 und 380 nm_ Der Enzymtest Um die Enzymaktivität der LDH im Plasma zu bestimmen, wird in einer Küvette ein bestimmtes Volumen an Plasma, NADH und Puffer vorbereitet, und diese in das Photometer gestellt Durch Zugabe von Pyruvat wird die Reaktion gestartet Um die Reaktionsgeschwindigkeit, und damit die Aktivität der LOH bestimmen zu können, messen wir die Extinktionsänderung des NADH pro Zeit ab dem Zeitpunkt der Pyruvatzugabe . Wie wir aus Kapitel 12 bereits wissen, ist die Reaktionsgeschwindigkeit einer enzymkatalysierten Reaktion von der Substratkonzentration und der Enzymmenge abhängig, wobei sie sich bei sehr hohen Substratkonzentrationen asymptotisch der Maximalgeschwindigkei t annähert Wird das Substrat allmählich durch das Enzym umgesetzt, so nehmen dessen Konzentration , und damit auch die Reaktionsgeschwi ndigkeit, kontinui erlich ab. Damit man also möglichst lange eine konstante Reaktio nsgeschwindi gkeit erhält, wählt man im Versuch sehr hohe Substratkonzentrationen, die mind estens I 0-fa ch über der Michaeliskonstante (KM) li egen_ Auswertung des Enzymtests Bei der Messung der Exti nktionsänderung des NAD H pro Zeit (öE/ min ) bei 340 nm erhält man ei ne typische Kurve (I Abb. 3). Kurz nach dem Start der Reaktion nimmt die Ex tin ktion annähernd um den gleichen Betrag ab, die Rea ktionsgeschwin di ke it ist zu Beginn also annähernd konstant päter flac ht die Kurve ab, und zum chluss ändert sich die Exti nktion ga rni ht mehr, und zwar
140
I 141
1 U • 1 1Jmol Substrat/mln.
c
0
~ c
-~
w
260
300 340 380 Wellenlänge [nml
420
I Abb. 2: Absorptionsspektren von NAD ' und NADH
wenn das Reaktionsgleichgewicht erreicht ist In diesem Fall ist das Pyruvat praktisch vollständig in Lactat überführt worden, da das Gleichgewicht bei dieser Reaktion stark auf der Seite des Lactats liegt. Um die Enzymaktivität zu bestimmen, wählt man die Reaktionsgeschwindigkeit zu Beginn der Reaktion, die man durch Anlegen einer Tangente im oberen Bereich der Kurve erhält (I Abb. 3). Berechnung der Enzymaktivität Die Aktivität eines Enzyms sagt aus, wie viel Substrat das Enzym innerhalb eines Zeitraumes umsetzen kann. Es wird in sog. internationalen Enzymeinheiten (U = Units) gemessen. Eine Unit entspricht der Enzymaktivität, die in einer Minute I 11mol Substrat umsetzt (bei 25°C).
Aus der Extinktionsänderung pro Zeit t.E/min, die der Steigung der Tangente in I Abb. 3 entspricht, lässt sich über das Lambert-Beer 'sche Gesetz die Konzentrationsänderung pro Zeit (M/min) errechnen_ Unter Mitberücksichtigung des Küvettenvolumens kann auch auf die Enzymakivität in pmollmin geschlossen werden (E = s x c x d 4 t.E/ min = Ex M /min x d). Bei den gängigen Laboruntersuchungen zum Nachweis von Enzymaktivitäten (z.B. im Blutplasma) wird die Enzymaktivität bezogen auf eine Volumeneinheit angegeben, also beispielsweise in U/mL Klinische Anwendung
Die LDH ist ein intrazelluläres Enzym, das im Blutplasma normalerweise nur in sehr geringen Konzentrationen vorkommt. Kommt es im Körper jedoch aus unterschiedlichsten Gründen zum Zelluntergang, so gelangt die zelluläre LDH ins Blutplasma, was sich in einer Erhöhung der LOH-Aktivität im Plasma widerspiegelt Da es fünf LDH-Isoenzyme gibt, die jeweils in den verschiedenen Organen in unterschiedlich hohen Konzentrationen vorkommen, können durch deren Bestimmung Rückschlüsse auf den Ort der Zellschädigung gezogen werden. So führt der Untergang von Myokardzellen infolge eines Herzinfarkts zum Anstieg der LDH-Isoenzyme l und 2 (s. auch Kap. 10).
Start der Reaktion
~
Zeit
I Abb . 3: Extin ktionsänderung (LlE) wäh ren d eines Enzymtests
·Versuch 111: Titration und physiologische Puffersy steme Die Wasserstoffionenkonzentration und somit der pH -Wert in unserem Blut liegt wie schon im Kapitel über den SäureBasen-Haushalt beschrieben [s. Kap. 20) in einem sehr engen Bereich. Schwan kungen außerhalb des für den Menschen physiologischen Bereichs sind so gefährlich, weil sich dann der Ladungszustand schwacher Säuren ändert Dies ist vor allem für die Funktion vieler Enzyme sowie für Am inosäuren von Bedeutung, deren Seitenketten analog zur H+-Konzentration geladen sind. Pathologische Veränderungen des pH Werts können bei vielen Krankheiten entstehen und können lebensge fährlich sein. Auch auf Intensivstationen spielt die Konstanthaltung des pH-Werts der Patienten eine wichtige Rolle. ln diesem Versuchskapitel soll nun erklärt werden, wie man die Konzentration einer Säure bzw. einer Base in einer Lösung bestimmt
Durctl die Zugabe der Maßlösung kommt es nun langsam zu einer Neutralisation: Säure + OH- -+ Base + H20.
Der Endpunkt der Titration ist der sogenannte Äquivalenzpun kt, der unge fähr bei pH=7 liegt, insofern bei der Neutral isation keine weiteren Prod ukte entstehen . Nun lässt sich die Stoffmengen der bis zum Erreichen des Umschlagspunkts zugegebenen Maßlösung aus dem dafür benötigten Volumen und der Kon zentration errechnen: n =cx V Aus der Reaktionsgleichung der Titra tion kann man nun das Verhältn is der Stoffmengen von Puffersäure und Pufferbase entnehmen. Zu letzt lässt sich nun die Kon zentration der gesuchten Säure bzw. Base anhand des Volumens und der Stoffmenge ausrechnen : c = n/V
Titration Potentiometrie Die Potentiometrie ermöglicht in der Medizin eine Bestimmung des pH -Werts mittels eines sogenannten pH-Meters. Es handelt sich um ein Verfahren, bei dem eine Glaselektrode in eine Flüssigkei t gehalten wird. Die Elektrod e liefert ein elektrisches Potential anhand dessen der pH- Wert der Flüssigkeit auf zwei Dezi malen genau angegeben werden kann .
Arten de r Titration Für die Messung des pH-Werts im Verlauf der Titration gibt es mehrere Mög· lichkeiten : Titration mithilfe ein es Indikators Bei dieser Methode wird vor der Titration zur Lösung ein Indikator hinzugegeben . Bei der Titration von Salz-
säure, verwendet man beispielsweise Bromthymolblau , für Essigsäure Phenolphthalein . Analog zur Änderung des pH -Wens ändert der Indikator seine Farbe. Das Erreichen des Äquivalenzpunktes erkennt man an einem plötzlichen Farbumschlag des Indikators. Hierbei handelt es sich allerdin gs um eine rela tiv ungenaue Methode , den Äquivalenzpunkt zu messen, da es oft nich t leicht ist, den genauen Umschlagpunkt zu bestimm en. I Abbi ldung 1 zeigt den Versuchsaufbau einer Titration . Messung durch pH -Meter Mit dem oben bereits erklärten pHMeter wird nach jeder Zugabe von Maßlösung der pH-Wert gemessen. Die We rte kann man in einer Titrationskurve (I Abb. 2) eintragen. Bei der Messung mit einem pH-M eter handelt es sich um eine sehr genaue Möglichkeit, den Äquivalenzpunkt zu bestimmen. Dies ist vor allem bei Puffersystemen praktisch, bei deren Titration der pH -Wert sich lange Zeit nur sehr wenig verändert und es dann plötzlich zum Erreichen des Äquivalenzpunktes kommt. ln der medizinischen Diagnostik wird auch die Maßlösung durch einen elektronischen Titrationsapparat hinzugegeben, was eine noch genauere Messung zur Folge ha t
Grundlagen der Titration Unter Titration versteht man ein Verfah ren, mildem man die genaue Konzentration einer Säure oder einer Base in einer Lösu ng mit einem bekannten Volumen bestimmen kann . Zur Bestimmung der gesuchten Konzentration wird bei der Titration einer Säure nun schri ttweise eine basische Maßlösung hinzugegeben. Di ese muss eine bekannte Konzentration haben, das zugegebene Volum en wird gemessen. Meistens wird hier Natronlauge einer Kon ze ntration von 0, I mol/1 verwendet. Analog da zu wird bei der Titration von Basen eine sau re Maßlösung hinzugegeben . Hierbei handelt es sich zumeist um Salzsäu re mit einer Konzen tration von 0, I mol/ 1.
Base (hier NaOH)
Ständer
Säure (hier HCI) inkl. Farbindikator, der bei m Äquiva lenzpunk t umschlägt
I Abb . I : V rsuchsa ufbalJ einer Titrati on
Versuch 3
Henders on - Hass elbalch'sche Gleichung
142
I
143
I Abb. 2: Titrationsku rve
14 12
Anhan d der Ti tration ist es möglich, die "Henderson-Hasselbalsch'sche Gleichung" zu verstehen. Diese ermöglicht
die Berechnung des pH-Werts eines Puffersystem bei gegebener Konzentration der Pufferbase, der Puffe rsä ure sowie gegebenem pK,-Wert. Der pK5Wert, die Säurekonsta nte gibt Auskunft über die Stärke einer Säure. Je kleiner diese Konstan te ist, desto stärker ist die zugehöri ge Säure.
Die Henderson-Hasse lbalch'sche Gleichung ist gültig für alle schwachen Säuren. Beispiele fü r schwach e Säuren sind p-Nitrophenolsäure oder Essigsäure, die im Titrationsversuch dieses Kapitels benötigt wird. Titrat ion von Sal zsäure
In diesem Versuch liegt ein bekanntes Volumen Salzsäure unbekannter Konzentration vor. Nun wird mithilfe einer Pipette schrittweise Natronlauge mit einer Konzentration von 0, I mol/ 1hi nzugegeben und der jeweilige pH-Wert mit einem pH-Meter gemessen. Durch die Zugabe der Lauge wird die Puffersäure so Schritt für Schritt neutralisiert, in diesem Fall: Salzsäure+ Na tronlau ge ~ Natriumch lorid (Kochsalz) + Wasser H30 + + Cl- + Na++ OH- ~ NaCl + 2 H20
Trägt man die Menge der zugegebenen Natronlauge (in ml) sowie den jeweils zugehö rigen pH-Wert in ein Koord inatensystem ein, so erhält man die zur Titration gehörige Titrationskurve (I Abb. 2), anhand derer man den Äqui-
t
w
10
~
8
n.
6
±
Äquivalenzpunkt
4 2
0+---------- -----------NaOH-Zugabe [ml]
valenzpunkt sowie das bis dahin verbrauchte Volumen Natronlauge ablesen kann. Die benötigte Stoffmenge errechnet sich nun aus der Konzentration der Natronlauge sowie dem bis zur Neutralisation benötigten Volumen (n=c x V) . Aus der Reaktionsgleichun g ist ersichtlich, dass das Verhältnis von Natronlauge zu Salzsäure I: I ist: n(NaOH) : n(HCI)= I: I Dara us folgt die gesuchte Konzentration der Salzsäure aus der errechneten Stoffmenge und dem bereits anfangs gegebenen Volumen: c(HCI) = n(HCl) /V(HCl). Kl inisc he Relevanz
Mithilfe von Titration und der Henderson-Hasselbalch'schen Gleichung ist es möglich, die Anteile der verschiedenen Komponenten in einem Puffersystem zu berechnen. Dies kann im Körper das Bicarbonatpuffersystem, der Hämoglobinpuffer, der Protein- oder der Phosphatpuffer sein. Diese Systeme sind in Kapitel 20 beschrieben. Anhand der Berechnungen kann man die Ursache von Störungen des Säure-Basen-Hau shalts herausfinde n, wie zum Beispiel ein erhöhtes Kohlendioxid sowie erhöhtes Bicarbonat bei einer respiratorischen Azidose und diese behandeln.
Abschließend noch ein Beispiel aus der Praxis, das verdeutlicht, wie wichtig die Diagnostik solcher Säure-Base-Störungen ist. Ein Patient liegt nach einem schweren Autounfall mit Polytrauma und nach einer langen Operation auf der Intensivstation. Noch vor einiger Zeit war der Patient bei Bewusstsein und ansprechbar. Dann klagt er erst über Bauchschmerzen, er trübt vermehrt ein, und es kommt zu einer Hyperventilation. Der Puls steigt bei gleichzeitigem Abfall des Blutdrucks an. Der Patient ist im Schock. Die ermittelten Werte der Blutgasanalyse zeigen bei einem starken Laktatanstieg eine metabolische Azidose, die teilweise respiratorisch kompensiert wurde. Ursache der Laktatazidose ist in diesem Fall der Schockzustand des Patienten nach der Operation . Wichtigste Therapie ist hier die Gabe von Flüssigkeit und Elektrolyten. In extremen Fällen der Azidose können auch puffemde Substanzen verabreicht werden, wie beispielsweise Natriumhydrogencarbonat. Hier muss aber besonders darauf geachtet werden, dass der Patient nicht in eine alkalische Stoffwechsellage rutscht.
Versuch IV: H IV Kasuistik Ein 28-jähriger Mann stell t sich in der Infektionsambulanz einer Klin ik vor. Er habe vor etwa vier Mona ten ungesch ützten Geschlechtsverkeh r gehabt. Der damalige Partner habe ihm nun offen bart, dass er HIV-positiv se i. Er selbst habe einige Tage nach dem Geschlechtsverkehr an einem grippalen Infekt, einer Temperaturerhöhung und allgemeinem Schwächegefüh l gelitten_ Außerdem seien ihm gesch wollene Lymphknoten am Hals aufgefallen. Aufgrund der geschild erten Situation wird sofort ein HIV-Suchtest veranla sst und der Patient genau über die Bedeutung von geschütztem Geschlechtsverkehr aufgeklärt. Bei einem HIV-Suchtest handelt es sich um einen ELI SA [Enzyme-Linked-lmmunosorbent Assay)-Test mit einer hohen Sensitivität. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit sehr groß ist, eine infi zierte Person zu erkennen. Allerdings nimmt man hierbei in Kauf, dass auch nicht infizierte Personen als krank getestet werden, man also ein falsch positives Ergebnis erhält. Deshalb wird nach dem Suchtest zur Absicherung der Diagnose ein Bestäti gungstest durchgeführt. Hierbei handelt es sich meist um einen Western -Blot.
Antikörpertes t
ELI SA Bei der Durchführung eines Antikörpertests, in diesem Fall ein ELISA-Suchtest für HIV-1 und HIV-2 werden nicht die Viren selbst, sondern die vom Körper gegen die Viren gebild eten Antikörper nachgewiesen. Da diese Antwort des Immunsystems erst mit einiger Verzögerung stattfindet, kann man erst drei Monate nach Kontakt mi t dem Virus sicher se in, dass ein negativer Test auch eine Nichtinfektion bedeutet. Allgemein ka nn man mit einem ELISATest verschiedene Viren, Hormone, Proteine und andere Substanzen nachweisen. Hierbei nutzt man die Bindun g von Ami genen an die entsprechend en An tikörper. Entweder Anti gen oder An ti körper werden vor der Reaktion mi t einem Enzym marki ert, das bei einer stattfindend en Reaktion für ein e Fa rb·
veränderung sorgt. Di e Stärke des Farbumsc hlags lässt dann au f die Konze ntration des Antikörpers sc hli eßen. Du rc hführung des ELI SA-Tests Für einen solchen Antikörpertest werden spezielle Mikrotiterplatten benötigt [I Abb. I ). Diese Platten haben mehrere Reihen klein er Einbuchtungen, die mi t der Substan z [in unserem Fall HIVProteinen) gefül lt werd en, die mit dem na chzuweise nd en Stoff [hier den HIVAntikörpern) reagieren sollen. In diese Einbuchtungen wird nun da s Serum der zu testenden Person gegeben. Bei einem Farbumschlag liegen Antikörper vor, bleibt die Farbe gleich , sind keine entsprechend en Antikörper im Blut vorhanden. In unserem Fall lägen also bei einer Farbveränderun g HIV-Antikörper im Blut der Person vor. Die Wahrscheinlich keit, dass der Pati ent HIV-positi v ist, ist dann se hr hoch.
Bestä tigu ngst est - Western Blot Bei einem posi tiven ELISA-Suchtest wird im Anschluss ein Western Blot Antikörpertes t durchge führ t. Erst wenn auch dieser positiv ist, wird dem Pa tienten das Ergebnis mitgeteilt. Durchführu ng des Western Bl ots Beim Western Blo t w erden unterschiedliche HIV-Proteine nebeneinander in Banden auf eine Trägermembran (z. B. aus Nitrocellulose) aufgetragen. Hierzu wird ein Polyacrylamid-Ge l benötigt . Nun werden die Proteine elektrophore-
tisch auf di e Membran übertragen. Die Bindung an di e Membran wi rd durch hydrophobe Wechselwirkunge n sowie Wasserstoffbrücken gewäh rleistet. Diese Übertragung, das so genannte " Blatten", verleiht dem Testverfahren seinen Namen. An die fixierten Proteine können nun An tikörper bind en. Hierzu wird die Membran in verdünn tes Serum des zu testend en Patienten eingelegt. Sind im Serum Antikörper vorhand en, so bind en diese an die auf der Membran fixierten HIV-Proteine. Durch ein Waschen der Membran w erden die nich t an die Proteine gebundenen Bestandteile des Serums im näc hsten Schritt wieder entfernt. Als Nächstes werd en die Proteine, die Anti körper gebunden haben, durch eine Farbreaktion sichtbar gemacht. Sie erscheinen als dunkle Streifen (I Abb. 2). Der HIV-Bestätigungstest wird als positiv bewertet, wenn im Serum Antikörper gegen zwei od er mehr HIV-Proteine vo rl iegen.
PCR-Test Eine weitere Möglichkeit für einen HIVTest ist die bereits in Kapi tel 50 besprochene PCR. Hierbei werd en nicht die Antikörper nachgewiesen, die der Körper gegen die Viren bildet, sondern die Nukleinsäuren der Viren selbst. Dies ist eine sehr genaue Nachweismethode für HIV, die aber auch mit entsprechend hoh en Kosten verbunden ist.
A AA
Antikörper
0
Q
()
0 0 Testplatte mil Antigenen beschichtet
Antikörper binden an Antigene. ein Farbum schlag wird sichtbar
I Abb. 1: ELISA-T slprinzip
Versuch 4
144
I
145
I Abb. 2: Western-Biet [9 ]
1 Auftrennung der Proteine (SDS·PAGE)
2 Transfer auf den Blot
- -
= =
- - - - --- ---
Blotting-Membran
D 4 Entwickung mit Chromogen
Er wird genutzt, um die Viruslast im Verlauf der HIV-Erkrankung zu bestimmen und die Effektivität der medikamentösen HAART-Therapie (hochaktive an tiretrovirale Therapie) beobachten zu können. Ziel dieser Therapie ist es, die Viruslast im Blut unter die Nach· weisgrenze zu senken. Außer zur Kontrolle der Therapie wird die PCR eingesetzt, um gespendetes Blut auf HIV zu testen sowie in seltenen Fällen zur Diagnose. Hier werden aber aus Kostengründen normalerweise der Antikörpersuchtest sowie der -bestätigungstest angewandt. Ein Ausnahmefall sind zum Beispiel Neugeborene, die noch die Antikörper der Mutter im Blut haben, weshalb Antikörpertests falsch positive Ergebnisse li efern können. Durchführung der PCR Bevor die PCR durchgeführt werden kann, muss die virale RNA in cDNA umgewandelt werden. Hierbei handelt es sich um eine zur RNA komplemen-
31dentifizierung mit Antikörper/Enzym
täre DNA, die mithilfe einer reversen Transkriptase aus der viralen RNA hergestellt werden kann. Nun findet die Vervielfältigung der cDNA wie in Kapitel 50 beschrieben statt. Durch die exponentielle Verfielfältigung der DNA lässt sich nach Durchführung der PCR die ursprüngliche Zahl der Viren pro Milliliter Blut berechnen. Die untere Nachweisgrenze für HI-Viren liegt bei etwa 50 Kopien/mi. Ausblick
An den Folgen der Infektion mit dem 1983 erstmals beschriebenen HumanenImmundefizienz-Virus sind bisher weltweit etwa 25 Millionen Menschen gestorben. Vor allem in armen Ländern der dritten Welt schreitet die Verbreitung des HlV rasend fort, aber auch in Deutschland sind knapp 60000 Menschen mit dem Virus infiziert, bei jährlich etwa 2700 Neuinfektionen. Weltweit gibt es etwa 2,7 Millionen Erkrankte.
Das Retrovirus HIV bindet im Körper des Menschen mithilfe von Oberflächenproteinen an CD4-Rezeptoren der CD4-THelferzellen. Diese werden im Verlauf der Erkrankung durch das Virus zerstört, was letztlich zur lmmunschwäche führt. Anhand der Zahl der T-Helferzellen sowie der durch die Immunschwäche folgenden opportunistischen Infektionen durch Pilze, Bakterien, Parasiten oder Viren wird das Stadium der Erkrankung nach dem sog. CDC-System ermittelt. Schwerstes Krankheitsstadium ist AIDS. Zu den AIDS-definierenden Erkrankungen zählen unter anderem maligne Lymphome, CMV-Infektionen, Kaposi-Sarkome und das Wasting-Syndrom. Die Heilung der Erkrankung bzw. eine Impfung gegen das Virus ist heute noch nicht möglich. Dies ist einer der Gründe dafür, dass der Bekämpfung des HIV ein großer Bereich der Forschung gewidmet wird.
Register Symbole a-Amanitin 41 a·Amylase 113, 127 a-Helix 26 a·Ketoglutarat 28, 30, 77 a-Ketoglutarar-Dehydrogenase 77 a· Kerosäure 28 a·L·Aminosäur en 24 a , !Horm 52 a·, ß·, o·Zellen 94 a 1-, a 2·, ß-Giobulin 11 3 a-1,6-Giukosidase 58 ß·Aianin 35 ß-Aminoisobutyrat 35 ß· Faltblatt 27 ß-HMC-CoA 72 ß-HM G-CoA-Synthase 70 ß-Hydroxybutyrat 70 ß-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase 70 ß-Hydroxylase 88 ß-Hydroxy-Merhyi-Giu taryi-CoA 72 ß·Ketoacyi-CoA 69 ß-Oxidation 68 5-ALS-Synthetase I 14 I ,25-Dehydroxycholecalciferol 17 I ,25-Dihydroxycholecalciferol 86 I ,3-Bisphosphnglycera t 55 1-Antitrypsin I 07 I-Globulin I 13 1-Phosphofruktoaldolase 122 11 -Desoxykortiko steron 92 2,3-ßisphosphoglycerat 116, 118 2-Methyl- 1,4-Naphthochinon 17 2-Phosphoglycerat 55 2 1-Hydroxylase 93 3-Ketothiolase 69, 70 3-Mcthoxy-4-Hydroxy-Mandcl säureald ehyd 89 3-Phosphoadenosin-5Phosphosulfat 123 5-Dihydrotesto steron 93 7-M ethyi-Guanosin 40
A A·Bindungsstelle 42 ABO-System I 04, I 09 Acetacetat 70 Acetace tyi-CoA 70 Acetat 35 Aceton 70 Aceryi-CoA 62 , 66, 70, 72 , 76, 126 Acetyi-CoA-Carboxy lase 66 Acetyi-CoA-Carn itin-Carri er 72 Acerylierung 44, 123 ACTH 83 Actinomycin D 41 Acyl -Carrier-l'rotein 66 Acyl -CoA 66, 68 Acyl -CoA-Cholestero i-AcylTransferase 74 Acyi -CoADehydrogenase 69 Acyi-CoADesaturase 67 Acyi -CoA Synthetase 67, 68 Acyladen ylat 68 Acyl eami tin 68 Ad enin 32, 36 Ad enin-Phosph oribosyl tra nsferase 34 Ad enohypophyse 82 Ad enosin triphospha t 76 Adenosylcobalam in 18 Ad enylatzykl ase 89 ADH 93 Adh äsionsmoleküle 3 Adiureti n 83 AD P 54, 120 Ad renalin 59. 88 adre nerge Rezeptoren 89 ad renogenitales Synd rom 93 adre nokonikou-opes Horm on 90
aerobe Glykolyse 54 Affinität 12 Agglutin ation I 05 , II 0 Agglutinationsmethoden I I I Akromega lie 83 Aktinfilam ente 3 ak tiver Transport 2 aktives Zen trum 12 Aktivi erun gsenergie 8, 12 Akute- Ph ase-Proteine 100, 107 Alanin 30 Alanin-Am inotrans ferase [ALAT) 28 Albumin 107, 11 3, 122 Alrli min 28 Aldolase 54 Aldolase ß 122 Aldosteron 92 alipha tische Aminosäuren 24 Alkohol-Dehydrogenase 123 Alkoholmetabolismus 123 Allergen I I 0 Allergie II 0 Allosteri e 14 alternati ve Komplementaktivierung I 06 Altersdiabetes 96 Al veolarmakroph agen I 02 Amidierung 123 Am inoacyl-tRNA-Synthetase 42 Am inogruppe 24 Aminolävulinsäure I 14 Aminopeptidas en 127 Aminopterin 19 Aminosäure- Deri vate 80 Aminosäureabbau 30 Aminosäuremetabol ismus 28 Aminosäuren 24 Aminosäurenkette 26 Aminosäurensymhese 30 Aminosäuresequenz 37 Ammon iak 28, 126 AMP 33 AMP-Spiegel 55 amphipatisch 62 amphiphil 62 Ampholyte 25 Anabolismus 122 anaerobe Glykolyse 54 - in Erythrozyten I 18 Anaphase 4(J anaphylaktisch er Sc hoc k I I 0 Anaphylatoxine I 07 Androgene 93 Androsteron 93 Angiotensin 92 Angiotensin -Converring-En zym 92 Angiorensin II 92 Angiotensinogen 92 An ionen 6 Anomere 52 ANP 93 Anti codon 42 amidiuretisches Hormon 83 Antigen I 0 I Antigen-Amikörper-Komplexe I 04 Antigen-präsemierend e Zell en I 00, 102 Anti gene I 08 amig ne DeLenn inante I 0 I , 108 antihämophi les Globu lin A 120 Ant ikörper I 00, I 03, I 04 An tikörp rklasse n I 04 Ant ikörpersw itch I 06 Anti körpervielfal t I 06 Antimycin A 79 Anti ox idant ien I 19 Antiport 3 Ant ithrombin 111 107, 12 1
Amivitamine 19 Apolari tä t 62 Apolipoprotein B 41 Apolipoprotein e 74 Apoptosc 48, 49 APRT 34 Aquaporin e 93 Arachidonsäure 63, 67, 98 Arginin 29, 30 Argininosuccinat 29 Argininosucc inatsymh etase 29 aromatische Aminosäuren 24 arteriosklerotische Plaq ues 74 Ascorbinsäure 19, 88 Asparagin 30 Aspartat 29, 30 Aspartat-Aminou-ansferase [ASAT) 28 Aspartattranscarbamoylase 34 Aspirin -induziertes Asthm a 98 Atmu ngskette 78 Atombind ung 7 Atom e 6 Atomkern 6 Atom masse 6 ATP 4,29, 54, 76 ATP-Spi egel 55 ATP-Synthase 78 ATP-Symh ese 78 atrophische Gastrilis 19 Autoantigene II 0 Autoim munerkrankun gen I I 0 autokrine Sekretion 80 Autosomenpaare 36 Avitam inose 16 Avogadro'sc he Zahl 7 Azathioprin I I I
B B-Gedächtn iszellen I 03 8-Lymphozyten I 00, I 03 B-Zell -An tigenreze ptoren I 04 bakterielle Plasmid e 5 1 Basen-Ex zisionsreparatur 49 Basenpaa re 36 Basentripl eu 37 basophi le Gran ulozyten I 00, I 02 Bauc hspeicheldrüsenhormon e 94, 96 Baufett 65 Bedsid e-Test I I 0 Beri-Beri -Syndrom 18 Bica rbona t 20, I 16 Bilayer 2, 62 Bilirubin I 15 llilirubi nglukuronid I 15 Biliverd in II 5 Bindung 7 Bindungselektronen 6 Bindun gsenergie 8 biogenes Amin 29 BiokatalysaiOren I 0 Biologieals I I I Biotin 18 Biotransformation 123 Blut 112 Bluterkrankheit 12 1 Blutgerinnun g 120 Blutglukosespi ege l 94 Blutgruppenantigene I 04, I 09 Blutgruppenko mpatibilitä t I I 0 lllutgruppenunvenrä Iiehkeil I I 0 Blutplasma I 13 Blutplättchen I 12, 120 ll lutserum 11 3 lllutsti llung 120 Blutzellen I 0 I lllutzuckerspl gel 94 Bohr-Effekt I I Bradyklnln 120 bra un s Fcllp, w b 6
Brennwert 126 Butansäure 62 Buttersäure 62
c C-Peptid 94 C- reaklives Pro tein 107 Cadherine 3 Caerulopl asmin 122 Calciferol I 7 cAM P 8 1 Carbaminohämoglobin I 16 Carbamoylasparta t 34 Carbamoylphosphat 29, 34 Carbamoylphosphatsymhetase 29. 34 Carboanhydrase 20, I 16 Carboxybiotin 18 Carboxylgrupp e 24 Carboxyli erung 44 Carboxypeptida se A und B 127 Cardiolipin 64 Carnitin 68 Carnilin -Acyl-Transfera se 68 Carolinoide 16, 65 Caspasen 48, 49 CD-System 102 CD4 -Zell en I 09 CD8-Zellen I 09 Ceramid 64 Cerebroside 64 cGMP 81 Chaperone 44 chemische Grundlagen 6 chemische Reaktionen 8 Chemokine 99 Chenodesoxycholsäure 122 Chiralität 52 Chloramphenicol 43 .Cholecal ciferol 17, 86 Cholesterin 72, 74 Cholesterin -7-a -Hydroxylase 122 Cholesterinaussc heid ung 73 Cholesterinbiosynthese 72 Cholesterin esterase 127 Cholsäure 122 Christmas Factor 120 Chromalin-Remod ellierungsmasc hinen 36 Chromosomen 36 Chromosomenmutationen 48 Chylomikronen 74 Chymotrypsin 127 Cis-Konfiguration 26 Citrat-Symhase 77 Citratspiegel 55 Citratzyklus 76 Citrullin 29 CK 10 2-Transpon 116 Coba lamin 18 Coenzym A 18, 68 Coenzym B,2 31 Coenzyme I I Coeruloplasmin I 07 Co faktoren 13 Conn-Synd rom 92 Coombs-Test I I I Coproporphy rin ogen I 14 Cosubs trate I I C X-l i-In hibitor n 98 RH 83 CRP 107 Cum arin ushin g- yndrom 9 1 yclln-ab hän glg Klnas n 46 ycl lnc 46 yclooxyg nas 98 ysteln 30
Register
Cytochrom -c-Oxidase 78 Cytochrom P410 123 Cytosin 32, 36
D D-Form 52 Debranching-Enzym 58 Decarboxylieru ng 29 degenerierter Code 37 Deletion 48 Denaturierung 50 dendritische Zellen I 00, I 02 Depotfett 65 Desaminierung 28 Desmolase 90 Desmosomen 3 Desoxy-Hb I 18 Desoxyribonukleinsäure 36 Desoxyribonu kJeotide 32 Desoxyribose 32, 52 Dexamethason 90 Di-Desoxyribonukleotide 5 1 Diabetes mellitus 71, 95, I I 0 Diacylglycerine 64 Diacylglycerol 81 Di farnesyl -Naphtochinon 17 Dihydrofolatreduktase 35 Dihydrofolsäure 35 Dihydrolipoyl-Transacetylase 76 Dihydroorotat 34 Dihydroxyaceton 52 Dihydroxyacetonphosphat 54, 67, 122 Diiodtyrosin 84 Diktyosomen 5 Dimethylallyl-Pyrophosphat 72 Dinitrophenol 79 direktes Bilirubin 115 Disaccharasen I 27 Disaccharide 52 Disulfidbrücken 26 DNA 32,36 DNAG!ykosylase 48 DNA-Gyrase 38 DNA-Klonierun g 50 DNA-Ligase 51 DNA-Polymerase 38, 50 DNA-Polymerase- Kompl ex 3lJ DNA-Reparatursysteme 48 DNA-Replikation 38 DNA-Schäden 48 DNA-Sequenzierung 5 1 Dopam in 88 Doppel bindungscharakter 26 Doppel helix 36 Doppellipidschicht 2 Doppelstrangscl1äd en 49
E Effektorhormone 82 Eicosanoide 98 ein fache Lipide 64 Einfach zucker 52 Einzelstrangschad en 49 Eisen 11 6 Eise nm angelanämie I 17 Eise nstoffwechsel 117 Eiweißminimum 126 Elastase 127 Elektronen 6 Elektron n-Transfer-Protein 69 Eleku· nenakzeptor 9 Elektronendonat r 9 Elektronenhülle 6 Elektronen paarbi ndun g 7 ElementarLeilehen 6 Elemente 7 ELI A !I I Elonga tion 38, 43, 0
endokrine Sekretion 80 endoplasmatische Retiku lum 5 Endeproteasen 28 Endesymbiontentheorie 4 endotherme Reaktionen 8 Endozytose 3 Energiebedarf 126 Energiebilanz 126 Energiegehalt 126 Energiegewinnung 76 Enhancer 47 Enolase 55 Enoyl-CoA 68 Enoyi-CoA- Hydratase 69 enterehepatischer Kreislauf 73, 127 Enterepeptidasen 127 Entzündungsreaktionen 99 Enzym-Substrat-Komplex 12 Enzymaktivität 14 Enzyme I 0, 12, 27 Enzymfunktion 12 Enzymhauptklasse n I 0 Enzymhemmung 14 Enzymkinetik 12 Enzymmenge 14 eosinophile Granulozyten I 00, I 02 Epitop 10 1, 108 Erbanlagen 36 Ergocalciferol I 7 Ernährung 126 Erythroblasten 112 Erythropoese I 12 Erythropoelin I 0 I, I 12 Erythrose 52 Erythrose-4-Phosphat 60 erythrozytäre Glykolyse I 18 Erythrozyten 112, 118 Erythrozytenmaus erung 118 Erythrozytenspende I I 0 Erythrozytenstoffwechsel I 18 Erythrulose 52 essenzielle Aminosäu ren 24 essenzielle Fettsäuren 63 Essigsäure 62 Euchromatin 37 Exons 37, 40 Exonukleaseaktivität 39 Exoproteasen 28 exotherme Reaktionen 8 Exozytose 3 extrinsisches System 121 F FAD 18 FADH I I FADH 2 69, 77, 78 Favismus 11 9 Ferritin I 07, 11 7 fetales Hämoglobin 114 Fette 64, 126 fettlösliche Vitamine 16 Fettsäure-Abbau 68 Fettsäu re-Synthase-Komplex 66 Fettsäure-Thiokinase 67 Fettsäuren 62, 126 Fettsäuresynthese 66 Fibrinogen I 07, 120 Fibrinolyse 12 1 fibrin stabilisierend er Faktor 120 Fi scher-Projektion 52 Flavinadenindinukleotid 18 Flavinmononukleo lid 18 l:luid-Mosa ik-Modell 2 !:MN 18 Follikelepit.helzell en 84 Folsäure 18,3 1 Folsäureantagonisten 19 Frame·shift·Mutalion 48 Fredrickson-Klassifikalion 75
Fresszellen I 00 Fruk tokinase 122 Fruktose 52 Fruktose- ! ,6-Bisphosphat 54, 122 Fruktose- ! ,6-Bisphosphatase 56 Fruktose-I-Phosphat 122 Fruktose-6-Phosphat 54, 56, 60, 11 9 Fruktose-Stoffwechsel 122 FSH 83 Fumarat 29 fu nikuläre Myelose 19
G G-Phasen 46 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 89 G6PDH-Mangel 11 9 Galaktose 52 Galaktose-Stoffwechsel 122 Gallenflüssigkeit 127 Gallensäuren 72, 122 Ganglioside 64 GAP 46 Gapjunctions 3,80 Gelelektrophorese 50 Genamplifikation 49 Genanalyse 50 genetischer Code 37 Genexpression 46 Genregulation 47 Gentechnologie 50 Geranyi-Pyrophosphat 72 Gerinnung 120 Gerinnungsfaktoren 120 Gerinnungskaskade 120 gesättigte Fettsäuren 63 Geschlechtschromosomen 36 Gewebsthromboplastin 120 GH 82 Gicht 34 glandotrope Hormone 82 glattes ER 5 Gleitring 39 Globin 114 Globulin I 13 Glucuronidierung 123 Glukagon 59, 96 glukogene Aminosäuren 30 Glukokinase 94 Glukokortikoide 83, 90, 98 Glukoneogenese 56 Glukose 52, 56, 58, 94, 126 Glukose-6-Phosphat 54, 56, 60, 94, 11 9 Glukose-6- Phosphat-Dehydrogenase 60 Glukose-6-Phosphat-DehydrogenaseMangel 119 Glukose-6-Phosphat-Isomerase 54 Glukose-6-Phosphatase 56,58 Glukose-Transporter 94 Glukoseabbau 54 Glukosephosphatmutase 58 Glukosespiegel 94 Glukuronsäure 11 5 Glukuronyl-Transferase 11 5 Glutamat 28 Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (GOT) 28 Glutamat-Pyruvat-Transaminase (GPT) 28 Glutamatdehydrogenase (GLDH ) 29 Glutamin 30 Glutam in-PRPP-Arnidotransferase 33 Glutathion 119, 123 Glycerin-3-Phosphat 67 Glycerinaldehyd 52, 122 Glycerinaldehyd -3-Phosphat 54, 60, 122
146
I
147
Glycerinaldehyd-3-phosphatDehydrogenase 54 Glycin 30, 122 Glykocholsäure 123 Glykodesoxycholsäure 123 Glykogen 53, 58 Glykogenin 58 Glykogenolyse 58 Glykogenphosphorylase 58 Glykogenspeicherkrankheiten 59 Glykogenstoffwechsel 58 Glykogensyn thase 58 Glykogensynthese 58 Glykokalix 2 Glykolipide 53 Glykolyse 54 Glykoproteine 53 Glykosphingolipide 65 Glykosylierung 44 GMP 33 GnRH 83 Golgi-Apparat 5, 45 Graft-versus-1-lost-Reaklionen 110 Granulozyten I 00, I 02 Grb-Protein 46 GRH 82 growlh hormone 82 growlh hormone releasing hormone 82 Gruppenspezifttät I 0 GTP 77 Guanin 32, 36 H H-Ketten 104 Hageman Factor 120 Halbacetale 52 halbessenzielle Fettsäuren 63 Halbketal 52 Häm 114 Häm-Oxygenase 115 Hämabbau I 15 Hämatokrit 112 Hämoglobin 20, 114 Hämoglobinopathien 117 Hämoglobinsynthese 114 Hämophilie 121 Hämosiderin 117 Hämosiderose 117 Haptene 108 Haptoglobin 107, 122 Harnsäure 34 Harnstoffzyklus 29 Hauptantigenklassen 108 Hauptgruppe 7 HbA 1 114 HbA 2 114 HbCO 117 Hb F 114 HOL 74 Helikase 40 Helix-Loop-Helix-Strukturen 40 Hemidesmosomen 3 Heterochromatin 37 Heteroglykane 53 heterozyklische Aminosäuren 24 Hexakinase 54, 56 Hexose 52 HGPRT 34 Histamin I 02, I OS Histidin 30 Histon-Proteine 36 Histone 27 Hitzeschockprotein Hsp90 90 HLA-Antigene 108 HMG-CoA 70 HMG-CoA-Lyase 70 HMG-CoA-Reduktase 72 HMG-CoA-Syntha se 72
Register Höhemra i .ing I 13 Homoglykäne 53 homologe Reparatur 49 Homöostase I 12 Hormone 80 Hormonrez eptoren 80 hormonsensitive Lipase 68 hast versus graft I I 0 humorale Abwehr I 00, I 04 Hungerzustand 28, 70 Hybridisierung 50 Hydrokortison 90 Hydrolasen I 0 hydrophil 62 hydrophile Aminosäuren 25 hydrophob 62 hydrophobe Aminosäuren 25 hydrophobe Wechselwi rkungen 26 Hydroxy·ß·Methylglu taryi ·CoA 70 Hydroxylapati t 86 Hydroxylierung 44 Hyperkalziämie 87 Hyperkortis olismus 91 Hyperlipoproteinämien 75 Hyperthyreose 85 Hype rurikämie 34 Hypervi ta minose 16 Hypokalziäm ie 8 7 Hypoparathyreoidismus 87 Hypophysen-Ho rmone 82 Hypophysenadenom 83 Hypophyse nhinterlappen 82 Hypophysenmittellappen 82 Hypophysenvorderlapp en 82 hypothalamisch-hypophysäres System 82 Hypothalamus-Hormone 82 Hypothalamus-HypophysenSystem 90 Hypothyreose 85 Hypovitaminose 16 Hypoxanthin-Guanin·Phosphoribosyl· transferase 34
I IDL 74 IFN 99 lgE 110 IGF 83 Ikterus 115 iminesäure 28 Immunglobulin A I OS Immunglobulin D I OS ImmunglobulinE 105 Immunglobuline 27. I 00, I 04 Immunglobulin G I OS Immunglobulin M 104 Immunegen 108 lmmunogenität I 08 immunologisches Gedächtnis I 0 I immunologische Testmethoden I I I Immunpathologie I I 0 Immunpräzipitation I II Immunsuppressiva I I 0 Immunsystem I 00 Immunzellbildung I 0 I Immunzellen I 02 IMP 33 indirektes Bilirubin II S lnniximab 99 lnhibin 83 Initiation 38, 42 Jnositol -Trisphophat 8 1 lnositolmonophosha t 33 INR-Wert 19 Insertion 48 Insulin 59, 94 insuline Jike growth factor 83 Insu lin rezeptor 81, 94
lntegrine 3 lntercristae -Raum 4 Interferone C)l), I 00 lnterkonvertieru ng 14 ln terleukine 98 Intermediärfilamente 3 Interphase 46 interzellulä re Komm unikation 80 intrazellulä re Rezeptoren 81 lntrinsic factor 127 intrinsi sches System 120 lntrons 37,40 Inversion 48 Iod id 84 Iodmangel 8S Ionen 6 Ionenbeziehungen 26 Ionenbindu ng 8 Ionengitter 8 lsocilrat-Dehydrogenas e 77 isoelektrisc her Punkt 25 Isoenzyme I 0 Isohämagglutinine I 09 Isoharnstoff 29 Isoleuein 30 Isomerasen I 0 Jsopentenyl -Pyrophosphat 72 Isopren 72 Iso prenderivate 62, 65 Iso top 6
J
JAK -Kinase 99 jak-Stat·Kaskade 99 juveniler Diabetes 95
K K-Typ 15 Kalium-Hau sha lt 92 Kallikrein 120 Kalzitonin 86 Kalzitriol 86 Kalzium 86, 120 Kalzium haushalt 86 Kappe 40 Karyoplasma 2 kataboler Stoffwechse l 122 Ka talase 78 katalytische Kapazität 12 Ka techoi-0-M ethyi-Trans ferase 89 Katec holamin-Se kretion 88 Ka techolamine 88 Ka techolaminrezeptoren 81, 89 Kationen 6 Keimbahnmutationen 48 Kephalin 64 Kernkörperehen 4 Kernladungszahl 6 Kernlokalisationssequenzen 44 kernlokalisierte Rezeptoren 81 Kernporen 4, 44 Ketoazidose 2 1, 71 ketogene Aminosäuren 30 Ketogenese 70 Ketonkörper 70 Ketonkörperverwertung 71 Kettenabbruch 51 Kin inogen 120 kl assische Komplement· aklivierung I 06 Kleinwuchs 83 klonale Selektion I 03 kohlenh ydratarme Diät 70 Kail ienhydrate 52 , 126 Kohlenmonoxid 79, I 17 Koh lenmon ox id -V rglftung 14 Kolloid 84 Komparti mente 2 kompetitiv Hemmung 14
Komplement I 00 Komplementaktivierung I 06 Komplementsystem I 00, I 06 komplexe Lipide 64 Konjugation 123 kooperatives Bindungsverhalten I 16 Kooperativität 15 Kortikosteron 90 Kortikotropin-Releasing Hormon 90 Kortisol 90 Kortison 90, 111 kotranslationelle Modifizierung 44 kovalente Bindung 7 Kreatin-Kinase 10 Krebsentstehung 49 Kupfferzellen I 02 L L·ß·Hyd roxyacyi-CoA· Dehyd ro· genase 69 L·Aminosäure-Deca rboxylase 88 L-Dopa 88 L·Form 52 L-Ketten I 04 Laktat 55, 76 Lakta t·Dehyd rogenase·Reak tion 55 Lakta tdehydrogenase I 0 Laktonase 60 Laktatazid ose 21 Laktoferrin I 00 Laktose 53 Lak toseunverträglichkeit 53 Lanosterin 72 LDH 10 LDL 74 Leberstoffwechsel 122 Lecithin 64 Leci thi n-Cholesterin-AcyiTransferase 75, I 13 Leitstrang 39 Lesch-Nyhan-Syndrom 34 Lese rasierverschiebung 48 Leucin-Zipper 40 Leu kotriene 98 Leukozyten I 00. I 02, I 12 LH 83 Liberine 82 ligandengesteuerte Ionenkanäle 8 1 Ligasen I 0 Li neweaver·Burk-Gieichung 13 Linker-DNA 36 UnoJensäure 63, 67 Li nolsä ure 63 Lipase 127 Lipide 62, 126 Lipolyse 68 Liponamid 76 lipophil 62 lipophob 62 Lipoprotein e 74 . 113 Lipoproteinklassen 74 Lipoproteinlipase 74, 11 3 Liposomen 62 Lipoxygena se 98 Lupus erythematodes I I 0 Lyasen I 0 lymphatische rgane I 0 I lymphatisch Reihe I 0 I lymphatisclle Zel lreihe 102 Iysosomale Lipasen 74 Iysosomale Proteine 45 Lysos men , 28 Lysozym I 00 lylischer Komplex I 07
M M-Ph ase 46 M. Addison 92 rnagnoz Jlulär s K rngeblet 82
Makroblasren I 12 Makrophagen I 00, I 02 Malat 29, 57, 66 Malar -Dehydrogenase 57 Malatenzym 66 Malonyi-CoA 66 Maltose 53 MAP·Kinase 46 Massenzah l 6 Mastzellen I 00, I 02 Mäusegerucll 3 1 Megakaryozyten 120 megalabiastäre Anämie 19 MELAS-Syndrom 4 Mem branangriffskomplex I 07 Membranen 62 Mem branprote ine 2, 27, 4S Membranrezeptoren 81 Menadion 17 Menstruationsblutung 49 Mesangium zellen I 02 messenger RNA (m RNA) 40 metabolische Alkalose 2 1 metabolische Azidose 21 Metanephrin 89 Metaphase 46 Methämoglobin 116, 11 9 Methionin 30, 37,43 Methotrexat 3S, I I I Methylcobalarnin 18 Methylen-THF 31 Methylierung 123 Mevalonat-5-P hosphat 72 Mevalo nat-5-Pyrophosphat 72 Mevalona tkinase 72 Mevalonsäu re 72 M HC-Amigene 108, 110 M HC·Kiasse I 109 MI·IC-Kiasse II I 09 MHC.Molekü le I 03 Michaelis-M enten·Gieichung 13 Michaelis-M enten-Kinetik 12 Michael iskonstante 12 mikrosomale Monooxigenasen 123 mikrosomales ethanolox idierendes System 123 Mikrotubul i 3 Milch zucker 53 Mineralkortikoid e 83 Mineraloko rtikoide 92 mitochondriale DNA 4 mitochondriale Proteine 44 Mitochondrien 4 Mitochondrienmatrix L1 Mitochondrienmembran 4 Mitochond riopathien 4 Mitose 46 Mizellen 62, 127 Monoacylglyce rine 64 Monoaminoxidase 89 Monoiodtyrosi n 84 mononukl eäres Phagozyten system I 02, I 15 Monosaccharide 52 Monoterpen 65 Monozyt n I 00, I 02 Morbus Basedow 85, I I 0 Morbus ll aemolyticus n ona torum I I 0 Muci n 127 rnultid t rmi nan t I OB rnu ltival nt I 08 Muskelkontrakti n 27 Muta >en L18 MutaU n n 48 Myasthenla grav ls I I 0 my I Ische R 111 I 0 I Myogl bi n 114, 11 6
Register
1481149 N N-Ace tyl-Glutamat 29 N-Mcthyltransferase 88 Na •/K'·ATPase 3 NAD ' 18,28 NAD H I I , 78 NAD H-Ubichinon-Oxidoreduktase 78 NADH / H' 70, 77 NAD P• 18,28 NADPH I I , 60, 66 Nährstoffe 126 Nahru ngsresorption 126 Nalidi xinsäure 38 Natrium ·Haushal! 92 natürliche Killerzellen I 00, I 02 Nebengruppe 7 Nebenni erenmarkshormone 88 Nebennierenrinden -lnsuffizienz 92 Nebennierenrindenhormone 90 negative Rückkoppelung 14 negatives Feedback 82 Nekrose 49 Neugeborenenscreening 31 neuroendokrine Sekretion 80 Neurohypophyse 82 Neutralfelle 64 Neutral fette, Abbau 68 Neutralisierung I OS Neutronen 6 neutrophile Granulozyten I 00, I 02 Nex us 3 ni cht-essenzielle Aminosäu ren 24 nicht-kompetiti ve Hemmung 14 nicht-proteinogene Aminosä uren 24 nichtsteroidale Antirheumatika 98 Nicotinamidadenindinukleotid · phosphat 6 1 Nikotinamid 18 ikotinsäureamid 18 NK-Zellen 100, 102 NLS 44 Noradrenalin 88 noradrenerge Reze ptoren 89 Norm oblasten 11 2 Novabioein 38 NSAID 98 NSAR 98 nukleäre Proteine 44 Nukleinsäuren 36 Nukleoli 4 Nukleosiddiphosphat 32 Nukleosiddiphosphat-Kinase 77 Nukleosidmonophosphat 32 Nukleosidphosphorylase 35 Nukleosidtriphosphat 32 Nukleoso m 36 Nukleosomenkern 36 Nukleolid·Exzisionsreparatu r 49 Nukleotidase 35 Nukleo lide 32
0 0 -glykosidische Bind ung 52 Obernäc henrezeptoren 81 Okaza ki·Fragmente 39 Öl -Wasser-Grenzschichten 62 Öle 64 Oligomycin 79 Oligopeptide 26 Oligosaccharid e 53 Ölsäu re 63 Onkogenese 49 Opsonierung I OS Ordnungszahl 6 OrniU1 in 29 rnlthin-Carbamoyl-Transferase 29 Orotidln·5·1'hosphat 34 rotsäur 34
Osteoblasten 86 Ostecklasten 86 Osteomalazie 87 Östradiol 93 Östron 93 Oxalacetat 29, 30, 56, 66, 70, 76 Oxidation 9 oxidative Phosphorylierung 78 Oxidereduktasen I 0 O)[ygenierung 11 6 Oxyhämoglobin 116 Oxytocin 83
p P·Bind ungsstelle 42 p53 47, 48 Palmitinsäure 66 Pankreashormone 96 Pankreassaft 127 Pantothensäure 18 PAPS 123 para krine Sekretion 80 Parathormon 86 Paratop I 08 parvizellul äres Kerngebiet 82 passive Immunisierung I 05 passiver Transport 2 PCR 50 Pellagra 18 Pentose 32, 52 Pentose-5-Phosphat-lsomerase 60 Pentosephosphatweg 60, 11 9 Pepsin 127 Pepsinogen 127 Peplidbindung 26 Peptide 26 Peptidhorm one 80 Peptidyi·Prolyl·lsomerase 44 Peptidyl -tRNA 43 Peptidyltransferase 43 Periodensystem der Elemente 7 Peroxidase 84 peroxisomale Protein e 45 Peroxisomen 5 pH-Wert 20 Phagosomen I 02 Phagozyten I 00 Phagozytose I 02 Phäoc hromozytom 89 Phenylalanin 30 Phenylalanin-Hydroxylase 31 Phenyl ketonurie 31 Phenylpyruvat 3 1 Pheromone 65 Phosphat 86 Phosphat-Puffer 20 Phosphatgruppen 32 Phosphathaushall 86 Phosphatidsä ure 64 Phosphatidyl-Inositoi·Trisphosphat 81 Phospha tidylcholin 64 Phosphatidylethanolamin 64 Phos phatidylinositol 64 Phosphatid yli nositol·3·Ki nase 94 Phosphatid ylserin 64 Phosphenolpyruvat 56 Phosphodiesterasen 127 Phosphoenolpyruvat 55 PhosphoenolpyruvatCa rboxykinase 56 Phosphofru ktokinase 54, 56 Pil osphoglukonolac ton 60 Phosphoglycerat·Kinase 55 Phosphoglycerat-Mutase 55 Phosphoglyceride 64 Phospholipase C 89 Phospholipasen 98 Phospholipide 64, 120 Phosphop ntose-Epimerase 60
Phosphoribosylpyrophosphat 33, 34 Phosphorylierung 14, 44 Phyllochinon 65 Phyllochinone 17 physikalischer Brennwert 126 physiologischer Brennwert 126 Plasma 11 3 Plasmaenzyme I 13 Plasmamembran 2 Plasmaprotein-Synthese 122 Plasmaproteine I 13 Plasrnathromboplastin 120 Plasmazellen I 01, I 03, 104 Plasmin 12 1 Plasminogen I 07 Plasminogenaklivatoren 12 1 pla telet activation factor 12 1 Plättchenthrombus 120 Pleotropismus 99 pluripotente Stamm zellen 101 polar 62 Polari tät 63 PoiyASchwanz 40 Polyad enylierung 40 Polymerase-Kettenreaktion 50 Polypeplide 26 Polysaccharide 53 Polysamen 5 Porphobilinogen 11 4 l'orphyrie 11 5 Porphyrin 114 Porphyrinogen 114 Postresorptionsphase 122 posttranskriptionelles Spleißen 40 posttransla tionale Modifikation 25 Prä kallikrein 120 Präproglukagon 96 Präproinsulin 94 Präzipitation 105 Prednisolon 90 Pregnenolon 90 primäre Gal lensäuren 122, 127 prim ärer Plät!chenthrombus 120 Primärstruktur 26 Primase 38 Primer 38, SO Primer·Annealing 50 Proaccelerin 120 Produkthemmung 14 Progesteron 90 Proinsulin 94 Prokonverti n 120 Prolaktin 83 Protin 30 Promotor 37 Promotor-Sequenz 40 Prophase 46 Propianat 35 Propionyl-CoA 67, 69 Prostacyclin 98 Prostaglandine 98 Prostazyklin 121 prosthetische Gruppen I I Proteasen 28, 43 Proteasom 43 Proteasomen 5, 28 Proteinabbau 28, 43 Protein C 12 1 Proteindisulfid·lsomerase 44 Proteine 20, 26, 126 Proteine, Prozessierung und Zielsteuerung 44 Proteinfaltung 44 Proteinmetabolismus 28 proteinogene Am inosäuren 24 Protein S 12 1 Proteinstruk tur 44 Proteinsynthese 42 Proteoglykane 53
Proteolyse 43 Prothrombin 120 Protolyse 8 Protonen 6 Protonenakzeptor 8 Protonendonator 8 Protonengradient 78 Proloonkogene 49 Protoporphyrin 11 5 PRPP 33,34 PRPP-Syn lhetase 33 Pseudocholinesterase 113 Pseudopodien 120 Ptyalin 127 Puffersystem 20, 27 Punktmutation 48 Purin 32 Purinbiosynthese 32 Purinwiederverwertung 34 l'yridoxalphosphat (PALP) 28, 11 4 Pyridoxamin I 8 Pyridoxin 18, 28 Pyridoxol 18 Pyrimidin 32 Pyrimidinnukleotide 34 Pyrophosphatase 39, 40 Pyruvat 30, 54, 56, 76 Pyruvat·Carboxylase 56 Pyruvat·Carrier 76 Pyruval·Dehyd rogenase 76 Pyruval-Dehydrogenase-Reaktion 76 Pyruvat-Kinase 55, 56 Pyruvatabbau 55 Pyruvat-Kinase-Mangel 11 9 Q
Q-Zykl us 78 Quartärstruktur 27 QuickWen 19
R RAAS 92 Rachi tis 87 Rad ioimmunassay I I I Ras-Kaskade 46 Ras-Protein 46 raues ER 5, 44 Rb·Protein 46 Reaktionsenergie 8 Reaktionsenthalpie 8 Redoxreaktionen 9 Reduktion 9 Red uktionsäquivalente I I Redund anz 99 Regulation der Genexpression 46 Regulation des Zellwachstu ms 46 Release-Faktoren 43 Release·l nhibiting· Hormone 82 Releasing· Hormone 82 Renin 92 Renin·Angiotensin·Aldosteron System 92 Replikation 38 Replikationsgabel 38 Repliken 38 Resorptionsphase 122 respi ratorische Alkalose 21 respiratorische Azidose 21 respiratorischer Quotient 126 Restriktionsendonukleasen 50 Restriktionspunkt 47 retikuloendothel iales System I 02 Retikulozyten I 12 Reti na! 17 Retinoat 16 Retinoide 17 Retinol 16, 65 reverser Cholesterintransport 75 Rezeptoren 80
Register reziproke Substratbeziehung 33 Rhesus-System I 09 Rhesusinkompatibilität I I 0 Rheuma toide Anhrilis 110 Rhodopsin I 7 Riboflavin 18 Ribonuklease 12 7 Ribonukleinsäure 36 Ribonukleotide 32 Ribonukleotidreduktase 35 Ribose 32, 52. 60 Ribose-5-Phosphat 60 ribosemale RNA (rRNA) 40 Ribosomen 4, 42, 44 Ribulose 52 Ribulose-5-Phosphat 60 Riesenw uchs 83 Ri fampicin 4 1 Riruximab I I I RNA 32,36 RNA-Polymerase 38 , 40 RNA-Prozessierung 40 RNA-Typen 40 Rosenkranzphänomen 87 rote Blutkörperchen I 12
s S-Adenosylmethionin 31, 88 S-Phase 46 Saccharose 53 Salvage pathway 34 Salzsäure 127 Sättigungskinetik 12 Sauerstoffaffinität 118 Sauerstoffatom 6 Sauerstoffbindungskurve 116 Sauerstoffradikale I 19 Sauerstoffspeicher 11 6 Sauerstofftransport 11 4 , 116 Säure-Base-Reaktionen 8 Säure-Basen-Haushalt 20 Säureamidbindung 26 Schalen 6 Schiff-Base 28 Schilddrüsenhormone B4 Sch ilddrüsenüberfunktion 85 Schilddrüsenunterfunktion 85 Schlüsselenzym 14 Schrittmacherreaktion 14 second messenger 8 I Sedoheptulose-7-Phosphat 60 Sekretionsmechanismen 80 sekretorische Proteine 45 sekundäre Gallensäuren 127 Sekundärstruktur 26 Sensibilisierun gsphase II 0 Serin 29, 30 Serotonin 120 Serum 113 Sesquiterpen 65 Sexualhormone 93 Sichelzellanämie I 17 Signalkaskaden 8 I Signalmolekü le 80, 98 Signalpeptidase 94 Signaltransduktion 98 Signalübertragu ng 80 Silencer 47 Skorbut 19 somatische Mutationen 48 somatische Rekombination I 03, 106 Somatoliberin 82 Somatomedi ne 83 Somatostatin 82, 94 somatotropes Hormon 82 omatolropin 82 Sos 46
Speicheld rüsen 127 spezifische Abwehr I 00 Sphingomyelin 64 Sphingosin 64 Spleißen 40 Squalen 72 Stammzellen I 0 I Start-Codon 37, 43 Star-Proteine 99 Stati ne 82 Stearinsäure 63, 66 Stercobilin I 15 Stercobilinogen I 15 Stereoselektivität I 0 Stereiddiabetes 91 Steroide 65 Stereidhormone 80 STH 82 Stoffmenge 7 Stofftransport 2 Stoffwechselregulation 14 Stopp-Codon 37, 43 Streptokinase 12 1 Streptomycin 43 Striae rubrae 9 1 Strukturgen 37 Strukturproteine 27 Stuan Prower Factor 120 Substitution 48 Substrataktivierung 12 Substratangebot 14 Substrathemmung 14 Substratkettenphosphorylierung 55 Substratspezifltät I 0 Succinat 76 Succinat-Oehydrogenase 78 Succinat-Ubichinon-Reduktase 78 Succinyi-CoA 30, 69, 77, 11 4 Sulfalierung 123 Superoxid- Dismutase 78 Sympathikusaktivierung 88 Symport 3 Synthasen I 0 Synthetasen I 0
T T-Gedächtniszellen I 03 T- Hel ferzellen I 02 T-Lymphozyten I 00, I 02 t-PA 12 1 T-Suppressorzellen I 03 Taurin 122 Taurocholsäure 123 Taurodesoxycholsäure 123 Telophase 46 Terminal ion 39, 43 Terpene 65 Tertiärstruktur 27 Testosteron 93 Tetrahydrobiopterin 88 Tetrahydrofolsäure 18, 35 Tetrahydrofolsäure (THF) 3 1 Tetraiodthyronin 84 Tetraiodthyronylrest 84 Tetrazyklin 43 Tetrose 52 Thalassäm ie I 17 Thermogenin 79 Thiamin 18 Thiam inpyrophosphat 76 Thioätherbi ldung 123 Thioesterase 67 Thiok inase 68 Threonin 29, 30 Thrombokinase 120 Thrombomodulin 12 1 Thrombopoielin I 0 I Thromboxan A1 120
Thromboxane 98 Thrombozyten 112, 120 Thym in 32, 36 Thymusabhängigkeit I 08 Thyreoglobulin 84 Thyreokalzitonin 86 Thyroxin 84 Thyroxin-bi ndendes Globulin 84 Tight junctions 3 TIM-Proteine 44 TM P 35 T NF 99 TNF- 107 Tocopherol 17, 65 TOM-Proteine 44 Topoisamerase 38 trans- Konfiguralion 26 Transaldolase 60 Transaminierung 28 transfer-RNA (tRNA) 42 Transferasen I 0 Transferrin 107, 11 7, 122 transfer RNA (tRNA) 40 Transfusionszwischenfalle I I 0 Transketolase 60 Transkanin 90 Transkription 36, 40 Transkriptionsblase 40 Transkriptionsfak toren 27, 40. 47 Translation 36, 42 Translokase 68 Translokation 48 Translokalionskanal 45 Transplan tatabstoßung I I 0 Transportproteine 3, 27 TRH 83,84 Triacyiglycerinabbau 68 Triacylglycerine 64 Triacylglycerinsynthese 66 Tricarbonsäurezyklus 76 Triglyceride 64 Triiodthyronin 84 Triiodthyronylrest 84 Trimethoprim 19, 35 Triase 52 Triosephophatisomerase 54 TripJetts 37 tRNA 42 Trypsin 127 TSH 83,84 Tumor-Nekrose-Faktor 99, I 07 Tumorsuppressorgene 49 Tunnelproteine 3 Tyrosin 30, 88 Tyrosinhydroxylase 88 Tyrosinkinase-Rezeptoren 46
u u-PA 12 1 Überempfindlichkeitsreaktion I OS, 110 Ubichinol 78 Ubichinoi-Cytochrom-c-Oxidoreduktase 78 Ubichinon 78 Ubiquitin 43 UDP-Glucu ronat 123 UDP-Clucuronyi-Transferase 123 UDP-C iukose 122 UMP 34 unideterminant I 08 Uniport 3 univalent I 08 unpola r 62 unsp zifisch Abwehr I 00 Uracil 32 Uridin- -1hospha t 34 Uridindlphosphat·Ciukos 8
Urobilin I 15 Urobilinegen 11 5 Uroporphyrinogen 114 UTP 34
V V-Typ 15 V I -Rezeptoren 83 V2-Rezeptoren 83 Valenzelektronen 6 Valin 30 van der Waalsche-Kräfte 26 Vanillinmandelsäure 89 Vasopressin 83 Verdauung 126 Verdauungsenzyme 126 Verdauungsorgane 126 versei fbare Li pide 64 Vitamin-K-Antagonisten 19 Vitamin A 16 Vi taminanaloga 19 Vitamin B, 18 Vitamin ß12 18, 127 Vitamin ß2-Komplex 18 Vitamin Bn 18, 28 Vitamin C 19, 88 Vitamin D 17, 86 VitaminE 17 Vitamine 16 Vitamin K 17 VLDL 74 Volumenmangelschock I 12 Von-Gierke-Krankheit 59 von-Willebrand-Faktor 120
w Wachse 64 Wachstumsfaktoren 99 wasserlösliche Vitamine 16, 18 Wasserretention 92 Wasserstoffatom 6 Wasserstoffbrückenbindung 8, 26 Wasserstoffperoxid I 19 Wasserstoffüberträger I I Wechselzahl 12 weiße Blutkörperchen 112 weißes Fettgewebe 65 Wernicke·Enzephalopathie I 8 Wirkungsspezifität I 0
X Xanthinoxidase 35 Xylulose-5-Phosphat 60
z Zellkern 4 Zellkontakte 3 Zellmembran 2 Zellorganellen 3 zelluläre Immunantwort I 00 Zellwacllstum 46 Zellzyklus 46 Zellzyklu -Kontrollsystem 46 Zinkfinger 40 Zitronensäurezyklus 76 Zona fasciculata 90 Zona glomerulosa 90 Zona relicu laris 90 Zwitterionen 25 Zyanid·Vergift ung 14 Zytoklne 98, I 07 Zytologi 2 Zytoplasma 2 Zyt s 3 Zytoskel 11. 3 zytosollsch Prot lnc 44 zytosollsch I ezeptor n 81 zytotoxisch T·Zellen I 02
