Cholesterinbiosynthese und -abbau

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 drei Stufen unterteilen:

• Synthese von aktivierten Isopreneinheiten über Mevalonat

• Kondensation von sechs 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 stattfinden. 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 in Oxalacetat und Acetyl-CoA gespalten. Mehr zur Bereitstellung von Acetyl-CoA im Zytosol findest du hier.

Die erste Reaktionssequenz bis zum Mevalonat findet im Zytosol statt.

In einem ersten Schritt kondensieren 2 Acetyl-CoA zu Acetacetyl-CoA. Katalysiert wird die Reaktion von der 3-Ketothiolase.

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 verschiedene 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 diesen anabolen Stoffwechselweg 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 sitzt in der ER-Membran und ist so orientiert, dass ihr aktives Zentrum zum Zytosol weist. Die HMG-CoA-Reduktase und damit die Synthese des Mevalonats ist wichtiger Angriffspunkt für die natürliche und auch medikamentöse Kontrolle 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 drei Phosphatgruppen auf Mevalonat übertragen, die von drei 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.

Kondensation von aktivierten Isopreneinheiten zu Squalen

Aus sechs aktivierten Isopreneinheiten (2x zwei Isopentenylpyrophosphat und 2x einem Dimethylallylpyrophosphat, alle C₅) werden nun über zwei sogenannte Kopf-an-Schwanzkondensationen zwei Moleküle Farnesylpyrophosphat (C₁₅) gebildet, die dann wiederum mit einer Kopf-an-Kopf-Kondensation zu Squalen (C₃₀) kondensieren.

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 einer Prenyltransferase, der Farnesylpyrophosphat-Synthase.

Geranylpyrophosphat kondensiert in einer zweiten Kopf-an-Schwanz-Kondensation mit einem weiteren Molekül 3-Isopentenylpyrophosphat, ebenfalls unter Abspaltung von Pyrophosphat, zu Farnesylpyrophosphat (C₁₅). Katalysiert wird die Reaktion ebenfalls von der Farnesylpyrophosphat-Synthase.

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.

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 zwei 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 vier 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.

Energiebilanz

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 den 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 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.

Regulation der Cholesterinsynthese

Cholesterin kann aus der Nahrung aufgenommen oder auch neu gebildet werden. Die komplexe Synthese, die vor allem in der Leber, aber auch im Darm stattfindet, und stark von der Cholesterinmenge in den beiden Organen abhängt, wird auf mehreren Ebenen reguliert. Hauptangriffspunkt ist das Schlüsselenzym 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA-Reduktase (HMG-CoA-Reduktase), die die Schrittmacherreaktion der Cholesterinsynthese katalysiert.

Genexpression: Die Expression (Transkription) des HMG-CoA-Reduktase-Gens und von weiteren Enzymgenen der Cholesterinsynthese wird über den Transkriptionsfaktor SREBP-2 (sterol response element-binding protein 2) reguliert. Dabei wirkt ein niedriger Cholesterinspiegel induzierend auf die Transkription der Gene für die Cholesterinbiosynthese, ein hoher dagegen hemmend. Bei der Fettsäuresynthese ist es der Transkriptionsfaktor SREBP-1c, der die Expression der Gene für die Acetyl-CoA-Carboxylase und die Fettsäuresynthase aktiviert.

Cholesterinsensor ist das cholesterinbindende Membranprotein SCAP (SREBP-cleavage-activating protein). SCAP ist über eine regulatorische Domäne an SREBP-2 gebunden, das ebenfalls ein integrales Protein in der Membran des endoplasmatischen Retikulums ist. Bei einem niedrigen Cholesterinspiegel kann SCAP außerdem an vesikuläre Proteine binden. SCAP/SREBP-2 gelangt in Membranvesikeln vom ER zum Golgi-Apparat, wo die DNA-bindende Domäne 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. Bei einem hohen Cholesterinspiegel bindet Cholesterin an SCAP und bewirkt über Konformationsänderungen, dass SCAP zusätzlich an den Membrananker Insig bindet. Dieser verhindert den Transport von SCAP/SREBP-2 zum Golgi-Apparat und so die Aktivierung von SREBP-2. Die Aktivierung der Genexpression bleibt aus.

AMP-kontrollierte kovalente Modifikation: 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. Damit wird die Cholesterinsynthese an die Energieladung der Zelle gekoppelt. Ist die Energieladung gering, dann wird die Syntheserate reduziert.

hormonkontrollierte kovalente Modifikation: 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 und auch beim Diabetes mellitus ab. Beim Diabetes mellitus kann der Serumcholesterinspiegel aber trotzdem ansteigen, da der gesamte Cholesterinumsatz sinkt!

mRNA-Stabilität: Thyroxin stabilisiert die mRNA der HMG-CoA-Reduktase, Glucocorticoide destabilisieren sie.

Translationskontrolle: Vom Mevalonat abgeleitete Metaboliten, die keine Sterine sind, reduzieren die Geschwindigkeit, mit der die HMG-CoA-Reduktase-mRNA translatiert wird.

ubiquitinvermittelter Proteinabbau: Die Struktur der Membrandomäne der HMG-CoA-Reduktase ändert sich als Reaktion auf eine steigende Sterinkonzentration (z.B. von Lanosterin). Das Enzym wird polyubiquitiniert, aus der Membran gelöst und im Proteasom abgebaut. Lipoproteine des Blutes, insbesondere LDL, das in Zellen extrahepatischer Gewebe aufgenommen und aus dem Cholesterin freigesetzt wird, fördert den Abbau des Proteins.

Beitrag der Organe zur Cholesterinsynthese: Die Geschwindigkeit der Cholesterinsynthese ist in der Leber am höchsten. Da Cholesterin jedoch auch in fast allen extrahepatischen Zellen des Körpers gebildet wird und diese ein Vielfaches der Leberzellen ausmachen, synthetisieren extrahepatische Zellen, absolut betrachtet, wesentlich mehr Cholesterin als Leberzellen.

Blick in die Klinik:

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 auch 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 Atherombildung in den Zellen der Endothelwand und der darunterliegenden Schichten ablagern, ausmacht. Zum feingeweblichen Aufbau der Endothelwand findest du mehr in der Histologie.

Initiales Ereignis einer solchen atherosklerotischen Gefäßveränderung ist die Schädigung des Endothels großer Arterien. Dort binden Monozyten, dringen in die Tunica intima ein und entwickeln sich zu Makrophagen. Diese setzen reaktive Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid (H₂O₂) und Hydroxyradikale frei, die die sich auf der Gefäßwand ablagernden LDL-Partikel, insbesondere die mehrfach ungesättigten Fettsäuren der in ihnen enthaltenen Cholesterinester, oxidieren. Makrophagen in der Intima binden oxidierte LDL mithilfe spezifischer Rezeptoren (Scavenger-Rezeptoren), nehmen sie auf und entwickeln sich zu Schaumzellen. Durch die Bindung von Thrombozyten und die Freisetzung von Entzündungsmediatoren wandern glatte Muskelzellen aus der Tunica media in die Intima ein und wandeln sich durch die Aufnahme von LDL ebenfalls in Schaumzellen um. Außerdem vermehren sich Makrophagen und glatte Muskelzellen im subendothelialen Raum. Sekundär werden verstärkt Proteine der extrazellulären Matrix wie Kollagen gebildet und es entstehen die typischen Plaques (Atherome). Die Plaques mit ihrem nekrotischen Kern und der fibrösen Deckplatte verengen und versteifen das Gefäß, wodurch die Durchblutung des sich anschließenden Gewebes abnimmt oder vollkommen unterbunden werden kann. Mit der Zeit kommt es durch Einwanderung von Calciumionen zur Verkalkung und zur Ablagerung von extrazellulären Cholesterinkristallen. Im Atherom gebildete Entzündungsmediatoren bewirken eine verstärkte Expression des Thromboplastins in Endothelzellen und Makrophagen, wodurch wiederum vermehrt Thrombin und eine intravasale Gerinnung mit Thrombusbildung initiiert wird. Bei einem Riss können die Thromben in andere Gewebe gelangen und dort Gefäße verschließen (Embolie).

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 Hypercholesterinämien beruhen auf genetischen Defekten, bei der Hyperlipoproteinämie Typ II liegt am häufigsten ein LDL-Rezeptormangel vor. Durch die verminderte Aufnahme von Cholesterin steigt der Serumcholesterinspiegel und die intrazelluläre Hemmung der Cholesterinbiosynthese bleibt aus, wodurch der Cholesterinspiegel im Serum weiter steigt. Cholesterin lagert sich an den Gefäßwänden zumeist als Ester ab und führt so zur Einengung der Gefäße (s.o.).

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, auch der Energiestoffwechsel beeinträchtigt werden.