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Cholesterinbiosynthese
Allgemeines
Cholesterin, eine C27-Verbindung, gehört zu den Sterinen, einer Untergruppe der Steroide. Sterine sind tetrazyklische Derivate des Isoprens mit einem Steran-(Gonan-)gerüst, das am C3-Atom eine Hydroxygruppe trägt. Außerdem besitzen sie meist zusätzlich am C10- und C13-Atom je eine Methylgruppe und am C17 einen Alkylrest.
Da Cholesterin vielfältige Aufgaben im menschlichen Organismus übernimmt, sind viele Zellen zur Cholesterinsynthese in der Lage. Die höchste Syntheseleistung erbringt die Leber. Da jedoch in fast allen Zellen des Körpers Cholesterin gebildet wird und diese ein Vielfaches der Leberzellen ausmachen, ist der Beitrag extrahepatischer Zellen zur Gesamtproduktion von Cholesterin im Vergleich zu den Leberzellen erheblich größer. Die Synthese lässt sich in 3 Stufen unterteilen:
Synthese von aktivierten Isopreneinheiten über Mevalonat
Kondensation von 6 aktivierten Isopreneinheiten zu Squalen
Zyklisierung des Squalens und Umwandlung in Cholesterin
Synthese von aktivierten Isopreneinheiten
In der ersten Stufe werden aus Acetyl-CoA die aktivierten Isopreneinheiten 3-Isopentenylpyrophosphat und 3,3-Dimethylallylpyrophosphat gebildet. Ein wichtiges Zwischenprodukt auf dem Weg zum Isopren ist 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (β-Hydroxy-β-methylglutaryl-CoA, HMG-CoA).
Quelle des Acetyl-CoA sind die β-Oxidation von Fettsäuren oder der Abbau von Kohlenhydraten in der Glykolyse und der anschließenden oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat, die in der mitochondrialen Matrix ablaufen. Die erste Reaktionssequenz bis zum Mevalonat findet im Zytosol statt. Acetyl-CoA muss daher, wie für die Fettsäuresynthese, zunächst ins Zytosol transportiert werden. Da die innere Mitochondrienmembran für Acetyl-CoA undurchlässig ist, wird es zunächst in Citrat umgewandelt, passiert die Membran und wird im Zytosol dann von der Citratlyase (ATP-Citrat-Lyase) unter Hydrolyse von ATP zu ADP und Pi in Oxalacetat und Acetyl-CoA gespalten. Mehr zur Bereitstellung von Acetyl-CoA im Zytosol findest du hier.
In einem ersten Schritt kondensieren 2 Acetyl-CoA zu Acetacetyl-CoA. Katalysiert wird die Reaktion von der 3-Ketothiolase (zytosolische Isoform des Enzyms; die mitochondriale katalysiert den letzten Schritt der β-Oxidation).
Ein Acetacetyl-CoA und ein weiteres Molekül Acetyl-CoA werden mit H2O zu 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (β-Hydroxy-β-methylglutaryl-CoA, HMG-CoA) verknüpft. Katalysiert wird die Reaktion von der zytosolischen 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA-Synthase (HMG-CoA-Synthase). HMG-CoA ist ein wichtiges Zwischenprodukt der Synthese des aktiven Isoprens.
Diese Reaktion findet auch zu Beginn der Ketonkörpersynthese in der Leber statt – dort entsteht ebenfalls HMG-CoA. Lokalisiert ist die Reaktion allerdings in der mitochondrialen Matrix und sie wird von der mitochondrialen HMG-CoA-Synthase katalysiert. Es existieren also zwei getrennte HMG-CoA-Pools.
3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA + 2 NADPH + H+ → Mevalonat + 2 NADP+ + CoA
In einer irreversiblen Reaktion wird das HMG-CoA zu Mevalonat reduziert. Coenzym für diese Reduktion ist NADPH + H+. Diese Reaktion ist die Schrittmacherreaktion der Cholesterinsynthese und wird von der 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA-Reduktase (HMG-CoA-Reduktase) katalysiert. Die HMG-CoA-Reduktase ist in der ER-Membran lokalisiert und so orientiert, dass ihr aktives Zentrum zum Zytosol weist. Die HMG-CoA-Reduktase, und damit die Synthese des Mevalonats, ist ein wichtiger Angriffspunkt für die natürliche und auch medikamentöse Kontrolle der Cholesterinsynthese.
Synthese von Mevalonat aus Acetyl-CoA
(1) Zwei Acetyl-CoA kondensieren zu Acetacetyl-CoA. (2) Ein Acetacetyl-CoA und ein weiteres Molekül Acetyl-CoA werden zu 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (β-Hydroxy-β-methylglutaryl-CoA, HMG-CoA) verknüpft. (3) HMG-CoA wird zu Mevalonat reduziert. Die Elektronen stammen von NADPH + H+. Diese Reaktion ist die Schrittmacherreaktion der Cholesterinsynthese.
Die sich nun anschließende Umwandlung von Mevalonat in 3-Isopentenylpyrophosphat findet hauptsächlich in den Peroxisomen, teilweise aber auch im Zytosol statt.
Zunächst werden 3 Phosphatgruppen auf Mevalonat übertragen, die von 3 ATP-Molekülen bereitgestellt werden. In der ersten Phosphorylierung (4a) entsteht 5-Phosphomevalonat, in der zweiten (4b) 5-Pyrophosphomevalonat und in der dritten (4c) 3-Phospho-5-pyrophosphomevalonat. Von 3-Phospho-5-pyrophosphomevalonat werden in einem letzten Schritt (4d) die Phosphatgruppe am C3-Atom wie auch die benachbarte Carboxygruppe abgespalten, wodurch eine Doppelbindung entsteht. Endprodukt ist 3-Isopentenylpyrophosphat (Isopentenyldiphosphat). Dieses Isopentenylpyrophosphat ist der lipophile Grundbaustein des Cholesterins. Aus Isopentenylpyrophosphat werden auch viele andere Isoprenoide gebildet, wie das Ubichinon der Atmungskette.
Isopentenylpyrophosphat wird von der Isopentenylpyrophosphatisomerase in 3,3-Dimethylallylpyrophosphat (Prenylpyrophosphat) umgewandelt. Die beiden Isomere unterscheiden sich in der Position der Doppelbindung.
Die C5-Einheiten 3-Isopentenylpyrophosphat und 3,3-Dimethylallylpyrophosphat werden auch als aktiviertes Isopren bezeichnet.
Synthese von aktivierten Isopreneinheiten aus Mevalonat
(4a–c) Zunächst werden 3 Phosphatgruppen auf Mevalonat übertragen, die von 3 ATP-Molekülen bereitgestellt werden. (4d) Vom Produkt dieser 3 Phosphorylierungen, 3-Phospho-5-pyrophosphomevalonat, werden die Phosphatgruppe am C3-Atom wie auch die benachbarte Carboxygruppe abgespalten, wodurch eine Doppelbindung entsteht. Endprodukt ist 3-Isopentenylpyrophosphat. (5) Isopentenylpyrophosphat kann zu 3,3-Dimethylallylpyrophosphat isomerisiert werden.
Kondensation von aktivierten Isopreneinheiten zu Squalen
Aus insgesamt 6 aktivierten Isopreneinheiten (4 x 1 Isopentenylpyrophosphat und 2 x 1 Dimethylallylpyrophosphat; DMAPP; alle C5) werden nun über 2 sogenannte Kopf-an-Schwanz-Kondensationen 2 Moleküle Farnesylpyrophosphat (C15) gebildet, die dann wiederum mit einer Kopf-an-Kopf-Kondensation zu Squalen (C30) kondensieren.
3-Isopentenylpyrophosphat (IPP; C5) kondensiert in einer Kopf-an-Schwanz-Kondensation mit 3,3-Dimethylallylpyrophosphat (C5) unter Abspaltung von Pyrophosphat zu Geranylpyrophosphat (GPP; C10). Katalysiert wird die Reaktion von einer Prenyltransferase, der Geranylgeranylpyrophosphat(GGPP)-Synthase.
Geranylpyrophosphat kondensiert in einer zweiten Kopf-an-Schwanz-Kondensation mit einem weiteren Molekül 3-Isopentenylpyrophosphat, ebenfalls unter Abspaltung von Pyrophosphat, zu Farnesylpyrophosphat (FPP; C15). Katalysiert wird die Reaktion ebenfalls von der GGPP-Synthase.
Farnesylpyophosphat ist nicht nur ein wichtiges Intermediat der Cholesterinbiosynthese. Durch Farnesyltransferasen kann es als Lipidanker auf Cysteinreste peripherer Membranproteine, z.B. G-Proteine, übertragen werden.
Farnesylpyrophosphat (C15) kondensiert in einer Kopf-an-Kopf-Kondensation mit einem zweiten Molekül Farnesylpyrophosphat (C15) zu Squalen (C30). Dabei wird NADPH + H+ verbraucht und Pyrophosphat abgespalten. Diese Reaktion findet im glatten endoplasmatischen Retikulum statt.
Synthese von Squalen aus aktivierten Isopreneinheiten
(6) 3-Isopentenylpyrophosphat (C5) kondensiert in einer Kopf-an-Schwanz-Kondensation mit 3,3-Dimethylallylpyrophosphat (C5) unter Abspaltung von Pyrophosphat zu Geranylpyrophosphat (C10). Katalysiert wird die Reaktion von der Farnesylpyrophosphat-Synthase (eine Prenyltransferase).
(7) Geranylpyrophosphat kondensiert in einer zweiten Kopf-an-Schwanz-Kondensation mit einem weiteren Molekül 3-Isopentenylpyrophosphat, wobei erneut Pyrophosphat frei wird, zu Farnesylpyrophosphat (C15). Auch diese Reaktion wird von der Farnesylpyrophosphat-Synthase katalysiert.
(8) Farnesylpyrophosphat (C15) kondensiert, katalysiert durch die Squalensynthase, in einer Kopf-an-Kopf-Kondensation mit einem zweiten Molekül Farnesylpyrophosphat (C15) zu Squalen (C30).
Zyklisierung des Squalens und Umwandlung in Cholesterin
Im glatten endoplasmatischen Retikulum wird der C30-Körper Squalen nun in zahlreichen Reaktionsschritten über das reaktive Zwischenprodukt Squalen-2,3-epoxid zyklisiert und das Produkt Lanosterin in Cholesterin umgewandelt. Stellt man das Squalenmolekül wie im folgenden Bild dar, wird deutlich, dass Squalen ein Zwischenprodukt der Sterinsynthese ist.
Zwischen dem C2 und dem C3 des Squalens wird ein Sauerstoffatom eingefügt, das von molekularem Sauerstoff stammt. Es entsteht ein Squalenepoxid. Katalysiert wird die Reaktion von der Squalenmonooxygenase, die gleichzeitig 2 Elektronen von NADPH + H+ auf das andere Sauerstoffatom von O2 überträgt.
Das reaktive Epoxid wird von einer Cyclase zu Lanosterin zyklisiert. Lanosterin enthält bereits die 4 Ringe, die Hydroxygruppe am C3-Atom, die Methylgruppen am C10 und C13 und die Alkylgruppe am C17, die für die Sterine typisch sind.
Lanosterin (C30) wird anschließend in ca. 20 weiteren Reaktionen, in denen Methylgruppen umgelagert und entfernt, eine Doppelbindung mit NADPH + H+ reduziert und eine Doppelbindung verschoben werden, in Cholesterin (C27) umgewandelt.
Synthese von Cholesterin aus Squalen
(9) Zwischen dem C2 und dem C3 des Squalens wird ein Sauerstoffatom eingefügt, das von molekularem Sauerstoff stammt. Gleichzeitig werden 2 Elektronen von NADPH + H+ auf das andere Sauerstoffatom von O2 übertragen. Es entsteht ein Squalenepoxid, das zu Lanosterin zyklisiert wird. (10) Lanosterin (C30) wird anschließend in ca. 20 weiteren Reaktionen in Cholesterin (C27) umgewandelt.
Energiebilanz der Cholesterinsynthese
Cholesterin kann zur Energiegewinnung nicht mehr gespalten werden. Daher müssen bei der Berechnung der Energiebilanz nicht nur das verbrauchte ATP und die reduzierten Coenzyme berücksichtigt werden, sondern auch die in den Bausteinen gespeicherte Energie: Für den Aufbau eines Cholesterinmoleküls werden insgesamt 6 Isopreneinheiten benötigt, von denen jede aus 3 Acetyl-CoA gebildet wird. Daraus ergibt sich ein Verbrauch von 18 Acetyl-CoA, die nicht mehr für die Energiegewinnung zur Verfügung stehen. Daraus könnten bei vollständiger Oxidation im Citratzyklus und durch oxidative Phosphorylierung in der Atmungskette ca. 180 ATP-Moleküle entstehen.
In Anbetracht dessen fallen die ATP und NADPH + H+, die in die Cholesterinsynthese investiert werden müssen, kaum noch ins Gewicht: Für die Synthese der 6 Isopreneinheiten müssen 6 Moleküle Mevalonat zu 6 Isopentenylpyrophosphat aktiviert werden. Da pro Aktivierung eines Moleküls Mevalonat 3 ATP notwendig sind, sind für die Synthese eines Cholesterinmoleküls also 18 ATP erforderlich.
Pro Aktivierung eines Moleküls Mevalonat sind aber auch 2 NADPH + H+ notwendig. Das macht also an dieser Stelle 12 NADPH + H+. Hinzu kommen 1 NADPH + H+ für die Bildung von Squalen aus 2 Farnesylpyrophosphat und 2 NADPH + H+ für die Synthese von Cholesterin aus Squalen. Insgesamt müssen 15 NADPH + H+ aufgebracht werden. Wegen des hohen direkten und indirekten Energieverbrauchs darf die Cholesterinbiosynthese nur in Zellen ablaufen, deren Energie- und Substratversorgung gut ist. Reguliert wird dies u.a. durch die AMPK.
Regulation der Cholesterinsynthese
Cholesterin kann aus der Nahrung aufgenommen oder auch neu gebildet werden. Die komplexe Synthese, die in allen Körperzellen, vor allem in der Leber, stattfindet und stark von der Cholesterinmenge in den Zellen abhängt, wird auf mehreren Ebenen reguliert. Hauptkontrollpunkt ist die 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA-Reduktase (HMG-CoA-Reduktase), die die Schrittmacherreaktion der Cholesterinsynthese katalysiert.
Die Expression (Transkription) des HMG-CoA-Reduktase-Gens und weiterer Gene von an der Cholesterinbiosynthese beteiligten Enzymen wird über den Transkriptionsfaktor SREBP-2 (sterol response element-binding protein 2) reguliert. Ein niedriger Cholesterinspiegel induziert die Transkription der Gene für die Cholesterinbiosynthese, ein hoher reprimiert sie. Dies wird über die cholesterinabhängige Steuerung der Prozessierung des aktiven SREBP-2 aus einer inaktiven, membrangebundenen Vorstufe erreicht: Das Vorläuferprotein des SREBP-2 ist ein ER-Protein mit einer zytosolischen Transkriptionsfaktordomäne, 2 Transmembrandomänen und einer zytosolischen regulatorischen Domäne, die mit anderen Proteinen interagieren kann. Cholesterinsensor ist das cholesterinbindende Membranprotein SCAP (SREBP-cleavage-activating protein). SCAP ist über die regulatorische Domäne an SREBP-2 gebunden. Bei einem niedrigen Cholesterinspiegel kann SCAP außerdem an vesikuläre Proteine binden, die den SCAP/SREBP-2-Komplex in Membranvesikeln vom ER zum Golgi-Apparat dirigieren, wo die DNA-bindende Transkriptonsfaktordomäne von SREBP-2 proteolytisch freigesetzt wird. Diese wandert in den Zellkern, bindet an das Sterin-Response-Element SRE (sterol response element) am 5‘-Ende der entsprechenden Gene und steigert deren Transkriptionsrate. Im Gegensatz dazu bindet bei einem hohen Cholesterinspiegel Cholesterin an SCAP und bewirkt über Konformationsänderungen, dass SCAP an das Membranprotein Insig (insulin-induced gene protein) bindet. Dieses verhindert den Transport von SCAP/SREBP-2 zum Golgi-Apparat und so die Aktivierung von SREBP-2. Die Aktivierung der Genexpression bleibt aus.
Zur Erinnerung: Bei der Fettsäuresynthese ist es der Transkriptionsfaktor SREBP-1c, der die Expression der Gene für die Acetyl-CoA-Carboxylase und die Fettsäuresynthase aktiviert.
Die HMG-CoA-Reduktase ist ein interkonvertierbares Enzym. Wie die Acetyl-CoA-Carboxylase wird die HMG-CoA-Reduktase bei einem hohen AMP-Spiegel von einer AMP-abhängigen Proteinkinase (AMPK) phosphoryliert und auf diese Weise inaktiviert, wenn die Energieladung der Zelle gering ist.
Die Hormone Insulin und Glucagon wirken ebenfalls auf die HMG-CoA-Reduktase. Insulin aktiviert Proteinphosphatasen, die das Enzym dephosphorylieren und so aktivieren. Glucagon aktiviert dagegen Proteinkinasen und bewirkt so eine Phosphorylierung und damit Hemmung des Enzyms. Die Aktivität der HMG-CoA-Reduktase nimmt also im Hungerzustand ab.
Thyroxin stabilisiert die mRNA der HMG-CoA-Reduktase, Glucocorticoide destabilisieren sie.
Vom Mevalonat abgeleitete Metaboliten, die keine Sterine sind, reduzieren die Geschwindigkeit, mit der die HMG-CoA-Reduktase-mRNA translatiert wird.
Die Struktur der Membrandomäne der HMG-CoA-Reduktase ändert sich als Reaktion auf eine steigende Sterinkonzentration (z.B. von Lanosterin oder Cholesterin). Die Konformationsänderung bewirkt, dass die HMG-CoA an Insig bindet. Das führt dazu, dass die HMG-CoA-Reduktase ubiquitiniert, aus der Membran gelöst und im Proteasom abgebaut wird, wenn der Cholesteringehalt in der Zelle durch Synthese oder Aufnahme aus Lipoproteinen steigt.
Cholesterinbiosynthese
Mithilfe dieses Videos (deutsche Sprache) kannst du die wesentlichen Merkmale der Cholesterinbiosynthese noch einmal wiederholen (Lernvideo zum Endspurt-Biochemieposter).
Achtung: Der Großteil der körpereigenen Cholesterinbisynthese findet in der Leber und nicht extrahepatisch statt – Wir werden das Video dahingehend korrigieren.
Hypercholesterinämie
Ein erhöhter Cholesterinspiegel im Blut, die Hypercholesterinämie, zählt neben Hypertonie, Adipositas und Diabetes mellitus zu den Risikofaktoren für atherosklerotische Gefäßveränderungen. Dies kann die Herzkranzgefäße (koronare Herzkrankheit, KHK) sowie periphere Gefäße betreffen (arterielle Verschlusskrankheit, AVK). Entscheidend ist der Anteil des an LDL (low density lipoproteins) gebundenen Cholesterins, da es einen Großteil der Fette, die sich bei der Plaquebildung in den Zellen der Endothelwand und der darunterliegenden Schichten ablagern, ausmacht. Zum feingeweblichen Aufbau der Endothelwand findest du mehr in der Histologie.
Die meisten Hypercholesterinämien entstehen sekundär durch Übergewicht und Bewegungsmangel und zeigen sich in einer Erhöhung der LDL-Konzentration im Blut. Hierbei wird auch eine genetische Disposition vermutet.
Primäre (familiäre) Hypercholesterinämien beruhen auf genetischen Defekten, bei der Hyperlipoproteinämie Typ II liegt am häufigsten ein LDL-Rezeptor-Mangel vor. Durch die verminderte Aufnahme von LDL-Cholesterin steigt der LDL-Cholesterinspiegel im Serum und die intrazelluläre Hemmung der Cholesterinbiosynthese bleibt aus. Infolgedessen steigt der Cholesterinspiegel im Serum weiter an, sodass LDL im subendothelialen Raum der Arterien akkumuliert. Das überschüssige Cholesterin wird zunächst in Schaumzellen als Cholesterinester gelagert, die nach Nekrose der Schaumzellen wieder in den Extrazellulärraum gelangen und die Bildung einer Narbe (atherosklerotische Plaque) induzieren, die so groß werden kann, dass das Gefäßlumen eingeengt wird.
Therapeutisch werden bei Hypercholesterinämie Statine eingesetzt. Bei diesen Verbindungen handelt es sich um Strukturhomologe von Mevalonat. Statine binden mit hoher Affinität an das aktive Zentrum der zytosolischen HMG-CoA-Reduktase, wirken als kompetitive Inhibitoren des Enzyms und verhindern die Bildung von Mevalonat. Mithilfe von Statinen kann die Biosynthese von Isoprenderivaten vollständig gehemmt und der intrazelluläre Cholesterinspiegel deutlich gesenkt werden.
Da Mevalonat u.a. auch zur Synthese von Ubichinon, einer Komponente der Atmungskette, benötigt wird, kann durch Statine, insbesondere durch Wechselwirkungen mit anderen Medikamenten bei unsachgemäßer Einnahme, die mitochondriale ATP-Synthese gestört und dadurch unter Umständen eine Rhabdomyolyse ausgelöst werden.
Cholesterinabbau und -ausscheidung
Cholesterin kann im Körper nicht wieder zu einzelnen Acetyl-CoA abgebaut werden. Es kann also nicht der Energiegewinnung dienen, sondern muss ausgeschieden werden. Die Ausscheidung des Cholesterins erfolgt über die Leber und zwar hauptsächlich durch die Umwandlung in Gallensäuren und schließlich in Gallensalze. Diese sind Bestandteile der Gallenflüssigkeit, die teilweise direkt, teilweise aber auch über die Gallenblase in den Darm gelangt. Die Gallensalze unterliegen dem enterohepatischen Kreislauf und werden zu einem sehr großen Teil wieder resorbiert. Auch ein geringer Teil des freien Cholesterins gelangt in die Galle (Gallencholesterin) und wird mit der Gallenflüssigkeit in den Darm abgegeben. Da es in den oberen Teil des Dünndarms sezerniert wird, unterliegt auch das Cholesterin einem starken enterohepatischen Kreislauf, der durch die Gabe von Inhibitoren des Cholesterintransports (Ezetimib) therapeutisch unterbrochen werden kann. Am Ende des Ileums im Darm verbliebenes Cholesterin wird von Darmbakterien zu Koprosterin reduziert, das ausgeschieden wird. Ein sehr geringer Teil des Cholesterins dient der Synthese von Steroidhormonen oder wird als Talg über die Haut abgegeben.
Normalerweise bildet das Cholesterin in der Galle zusammen mit Gallensalzen und Phospholipiden Mizellen und bleibt so in Lösung. Unter bestimmten Bedingungen kann das Cholesterin kristallisieren und ausfallen. Die Kristalle aggregieren zu Cholesterinsteinen.
