Feodor Lynen (1972) - Cholesterol and Arteriosclerosis (German presentation)

Herr Auhagen, meine Damen und Herren, lassen Sie mich zunächst Dank sagen für die freundlichen Worte der Einführung, in der Sie mir das Wort erteilten, hier meinen Vortrag zu beginnen. Und es ist natürlich für mich ein besonderes Vergnügen, dass gerade ein Schüler von Windaus den Vorsitz der Sitzung führt, denn das Thema meines Vortrags steht ja in unmittelbarem Zusammenhang zu grundlegenden Arbeiten von Adolf Windaus. Nicht nur die Aufklärung der chemischen Struktur des Cholesterols - oder wie es früher genannt wurde, Cholesterins, Cholesterol ist die chemisch exakte Bezeichnung nach neuen Nomenklaturregeln für diesen Stoff - ist ja im Windauschen Laboratorium geliefert worden, sondern im Windauschen Laboratorium wurde auch der erste Hinweis auf einen Zusammenhang zwischen Cholesterol und Arteriosklerose gefunden. Und dieser erste Hinweis - vielleicht das erste Bild - am Anfang die Formel des Cholesterols, dieser Kohlenwasserstoff, dieser ungesättigte Alkohol, 27 Kohlenstoffatome, der hier in diesem Ringsystem, bestehend aus vier Ringen untergebracht ist und dessen Formel - wie schon gesagt - durch die Arbeiten von Windaus aufgeklärt werden konnte. Nun, die Beziehung zwischen Arteriosklerose und Cholesterol stellte die Entdeckung von Windaus her, dass die atheromatösen Veränderungen in den Blutgefäßen hauptsächlich Cholesterol und dessen Verbindungen mit Fettsäuren enthalten. Und seitdem sind mehr als 60 Jahre vergangen, Windaus hat diese Arbeit 1911 publiziert. Und in diesen Jahren haben zahlreiche klinische und experimentelle Untersuchungen zu der Erkenntnis geführt, dass ein hoher Cholesterolspiegel im Blut einer der Faktoren ist, die für die Entstehung von Arteriosklerose und Gefäßkrankheiten des Herzens verantwortlich zu machen sind. Man spricht in diesem Zusammenhang ganz allgemein von Risikofaktoren, durch welche die Krankheitsentstehung begünstigt wird. Nun zählt dazu auch eine Reihe anderer Faktoren, wie Sie wissen, etwa Übergewicht oder erhöhter Blutdruck, möglicherweise auch eine Erhöhung des Fettgehalts im Blutplasma, starkes Zigarettenrauchen, psychologischer Stress und zuletzt natürlich auch eine gewisse genetische Veranlagung. Ein kausaler Zusammenhang zwischen hohen Blutcholesterolwerten und Herzkrankheiten ergab sich bei epidemiologischen Studien, in denen das Auftreten gewisser bestimmter Krankheiten innerhalb einer größeren Populationsgruppe in Abhängigkeit von solchen Risikofaktoren bestimmt wurde. Und eine Untersuchung dieser Art wurde in der nordamerikanischen Kleinstadt Framingham durchgeführt, wo ab 1949 eine Gruppe von etwa 5.000 Männern mittleren Alters, das heißt zwischen 30 und 60 Jahren alt, die bei Aufnahme in die medizinische Überwachung frei von erkennbaren Herzkrankheiten waren, im regelmäßigen Turnus untersucht und die relative Häufigkeit des Auftretens von Herzkrankheiten in den folgenden zehn Jahren bestimmt wurde. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind zusammen mit den Ergebnissen ähnlicher Studien an staatlichen Angestellten von Albany oder an leitenden Geschäftsleuten von Minneapolis hier in dieser Figur dargestellt. In dieser Darstellung wurde das relative Risiko in den Gruppen unterschiedlichem Serum Cholesterolgehaltes, der auf der Abszisse aufgetragen ist, hier das relative Risiko, bezogen auf die Häufigkeit von arteriosklerotischen Erkrankungen in der Gruppe von Personen, bei denen der Cholesterolspiegel normal, also unterhalb 200 mg pro 100 cm3 lag, und dieser Wert gleich hundert gesetzt wurde auf diese Zahl bezogen, und das ist hier aufgetragen - hier also Framingham, Albany und Minneapolis. Nun, die grafische Darstellung zeigt, dass in der Gruppe von Männern, deren Cholesterolspiegel bei 260 mg pro 100 cm3 oder darüber lagen, Gefäßkrankheiten des Herzens drei- bis fünfmal häufiger auftraten als in der Kontrollgruppe. Das relative Risiko nahm in allen Untersuchungen mit steigendem Cholesterolspiegel zu. Die Ergebnisse dieser und ähnlicher Studien fanden eine gute Bestätigung im Tierexperiment. Bei Kaninchen, Hühnern, bei Schweinen, bei Rhesus- und Cebusaffen aber auch bei Hunden lässt sich durch Verfütterung einer cholesterolreichen Diät - etwas abnorm, die enthalten etwa ein bis drei Prozent Cholesterol - eine typische Arteriosklerose erzeugen. Und gleichzeitig stellte man dabei fest, dass für die Ausbildung der Gefäßveränderungen die Natur des Fettes, das zusammen mit Cholesterol verfüttert wurde, eine gewisse Rolle spielt. Wie der amerikanische Forscher Krizevski fand, nimmt die Atherogenität mit zunehmendem Gehalt des Fettes an ungesättigten Fettsäuren ab. Man fand dann, dass diätetische Maßnahmen auch beim Menschen den Cholesterolspiegel verändern können. Die amerikanischen Forscher Keith, Anderson und Grande haben die Beeinflussung des Cholesterolspiegels durch drei wesentliche Nahrungsfaktoren in der in diesem Bild gezeigten Gleichung zusammengefasst. Diese Gleichung, in welcher die Ergebnisse mehrerer Studien zusammengefasst sind, beschreibt die Veränderungen des Serumcholesterols Delta C, die eintreten, wenn man in der Nahrung die relativen Mengen an gesättigtem Fett, an mehrfach ungesättigtem Fett und an Cholesterol verändert, wobei hier angegeben ist, dass S' die Triglyceride gesättigter Fettsäuren, P dieTriglyceride ungesättigter Fettsäuren darstellen, und hier Z, die Quadratwurzel des mit der Diät zugeführten Cholesterols in Milligramm pro 1000 kleiner Kalorien. Wie man aus dieser Gleichung ersieht, steigt der Serumcholesterolspiegel an, wenn die gesättigten Fette in der Nahrung zunehmen, wenn S' ansteigt, während er abfällt, wenn der Anteil der ungesättigten Fette größer wird. Und auf gleiche Gewichtsmengen bezogen erwiesen sich die gesättigten Fette als doppelt so einflussreich als die ungesättigten, Sie sehen hier mit einem Faktor 2 vor Delta S'. Und daraus muss nun folgen, dass ein sehr bestimmender Faktor für den Cholesterolspiegel des Blutes im Gehalt der Nahrung an gesättigten Fetten liegen kann. Und da die Fette der Tiere im Allgemeinen reich an gesättigten Fettsäuren sind, diejenigen der Pflanzen jedoch ungesättigte Fettsäuren enthalten, verstehen wir mit dieser Gleichung die Empfehlung der Ärzte, den Konsum an tierischen Fetten einzuschränken. Und wie schön diese Gleichung die experimentellen Befunde deuten kann, ist aus der nächsten Abbildung zu ersehen. Hier sind also aus vier verschiedenen Studien die nach der Gleichung vorhergesagten Cholesterolwerte aufgetragen gegen die beobachteten Cholesterolwerte, und Sie sehen, dass also eine recht gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Praxis existiert. Damit wollen wir aber die Frage der Beeinflussbarkeit des Cholesterolspiegels durch diätetische Maßnahmen verlassen und uns der Besprechung der Funktionen des Cholesterols im Organismus und seines Stoffwechsels zuwenden. Und hier muss gleich betont werden, dass Cholesterol für den menschlichen Organismus unentbehrlich ist und als Baustein der Zellmembranen in allen Geweben angetroffen wird. Zusätzliche Aufgaben erfüllt es in den Nebennieren, in den Keimdrüsen und in der Leber. In den beiden ersten Organen dient es als Ausgangsmaterial für die Synthese der Nebennierenhormone vom Typus des Kortisons und für die Synthese der Sexualhormone. In der Leber werden aus Cholesterol die Gallensäuren gebildet. Dem Cholesterolstoffwechsel in der Leber kommt im Rahmen unseres Themas besondere Bedeutung zu, weil dieses Organ die Hauptquelle des Serumcholesterols darstellt und weil die dort angetroffene Umwandlung von Cholesterol in Gallensäuren die Eliminierung des Cholesterols aus dem Körper ermöglicht. Die Verhältnisse sind allerdings dadurch kompliziert, dass Cholesterol und die Gallensäuren am sogenannten enterohepatischen Kreislauf teilnehmen. Hier ist der Cholesterolgehalt in verschiedenen Geweben, und darauf wollen wir nicht eingehen, nur hier, vielleicht diesen Punkt hier unten, in Gramm pro 100 Gramm Gewebe, das sind normale Arterien 0,25, bei schwerer Arteriosklerose kann dieser eben auf über 4 Gramm pro 100 Gramm Gewebe ansteigen, das war eben der Befund, den Windaus gemacht hat, dass in diesen Depots sich sehr viel Cholesterol befindet. Ja, also hier dieser enterohepatische Kreislauf, der darin besteht, dass die in der Leber aus dem Cholesterol gebildeten Gallensäuren durch den Gallengang in den Verdauungstrakt übertreten, dann aber über die Pfortader wieder zurückgeholt werden können. Und gleichzeitig kann auch aus dem Verdauungstrakt das Cholesterol unter der Wirkung von Gallensäuren über den Ductus thoracicus in die Leber übergeführt werden. Also es stellt sich ein ununterbrochener Kreislauf zwischen Darm und Leber ein, die Gallensäuren, die in der Leber entstehen, gehen in den Darm und werden wieder zurückgeholt. In einer Bilanz des Cholesterolstoffwechsels können allerdings die im enterohepatischen Kreislauf umgesetzten Stoffmengen unberücksichtigt bleiben. Für die Bilanz brauchen wir nur die neuen Mengen Cholesterol zu kennen, die aus der Nahrung aufgenommen werden, die im Organismus neu gebildet werden, wie wir sehen werden, ist Acetat die Vorstufe des Cholesterols, und dann die in Form von Gallensäuren mit den Fäzes zur Ausscheidung kommen. Und in dieser Bilanz kann die tägliche Cholesterolaufnahme mit der Nahrung sehr stark variieren. Nach statistischen Untersuchungen schwankt sie zwischen 90 Milligramm für die Japaner und andere Bewohner Ostasiens bis 730 Milligramm für die Nordamerikaner. Für den Mitteleuropäer werden Werte zwischen 300 bis 400 Milligramm angegeben. Die Situation wäre ziemlich hoffnungslos, gäbe es im gesunden Organismus nicht einen wirkungsvollen Steuerungsmechanismus, der zur Homöostase führt. Und darunter versteht man, dass die Cholesterolsynthese durch einen Rückkoppelungsmechanismus von der Menge Cholesterol reguliert wird, die aus dem Darm absorbiert oder im enterohepatischen Kreislauf zusammen mit den Gallensäuren reabsorbiert werden. Man fand nämlich, dass hohe Cholesterol- und Gallensäurespiegel in der Leber zu einer Hemmung der Cholesterolsynthese in diesem Organ führt, wie das hier gezeigt ist, was eben, wenn dieser Spiegel an diesen Stoffen ansteigt, dass dann die Synthese des Cholesterols aus Acetat unterbunden wird, was hier durch diese blauen Blöcke an den roten Pfeilen ausgedrückt werden soll. Und wegen dieser Hemmung folgt, dass alle Individuen, die über ein perfekt funktionierendes biochemisches System verfügen, davor sicher sind, dass ihr Cholesterolstoffwechsel außer Kontrolle gerät. Und glücklicherweise ist dies bei den meisten Menschen der Fall. Aber leider gibt es daneben auch zahlreiche Individuen, in denen das normale Gleichgewicht gestört ist, was dann zu einer Überproduktion von Cholesterol führt. Und damit hat sich gezeigt, dass außer durch Gallensäuren-Cholesterol die Cholesterolsynthese auch noch durch Hunger gehemmt werden kann. Es gibt Versuche an Tieren, also in Hungertieren ist die Cholesterolsynthese auch sehr stark gehemmt. Dass es aber andererseits auch Möglichkeiten gibt, die Cholesterolsynthese zu aktivieren, und dazu gehört zum Beispiel die Röntgenbestrahlung, nach der Behandlung mit Röntgenstrahlung steigt die Cholesterolsynthese an, dann die Injektion eines Detergenz-Triton und dann auch nach Thyroxin Exzision wird diese aktiviert. Also es ist offensichtlich eine Regulation in der Leber vorhanden, einerseits gibt es Faktoren, die hemmen, andererseits Faktoren, die aktivieren. Und wenn man in die Regulation von Stoffwechselprozessen Einblick nehmen will, dann stellt sich für den Biochemiker zunächst die Aufgabe, den molekularen Mechanismus der Regulation zu studieren, und dafür ist selbstverständlich die Kenntnis der chemischen Details des Syntheseprozesses die Voraussetzung. Nun, das erste Ziel, die Aufklärung des Biosynthesewegs des Cholesterols ist heute erreicht, und das Ergebnis, an dem neben Konrad Bloch, Cornforth und Popják, Rodney auch mein Arbeitskreis beteiligt war, ist im nächsten Bild gezeigt. Die Synthese des Cholesterols, was sie hier unten sehen, geht von Acetyl-Coenzym A aus, der aktivierten Essigsäure, die aus dem Abbau von Kohlenhydrat, Fett und Eiweiß stammt, und sie geht über eine Reihe von Zwischenprodukten, die wir im Einzelnen nicht behandeln wollen, es sind mehr als 30, und sie sind nicht mal alle aufgezählt. Hier zunächst aus dem Acetyl-Coenzym-A, Beta-Hydroxy-Beta-methylglutaryl-Coenzym-A synthetisiert, dann kommt die Reduktion zur Mevalonsäure, aufgeklärt von Folkers im Laboratorium der Merck Sharp & Dohme Company, und dann die weitere Umwandlung zum Isopentenylpyrophosphat, dem aktiven Isopren, dessen Polymerisation dann schließlich zum Squalen führt, eine Verbindung mit 30 Kohlenstoffatomen, die dann zyklisiert und auf oxidativem Wege sukzessive über mehrere Stufen in Cholesterol umgewandelt wird. Und nehmen wir nun an, dass das bei vielen anderen Biosyntheseprozessen angetroffene Prinzip der negativen Rückkoppelung, der Feedback-Hemmung, auch bei der Kontrolle der Cholesterolsynthese gültig ist, dann sollte diejenige Reaktion der Synthesekette geschwindigkeitsbestimmend sein, mit dem diese von anderen Stoffwechselbahnen abzweigt. Diese Reaktion sollte dann auch vom Endprodukt des ganzen Prozesses, dem Cholesterol, gehemmt werden. Und von solchen Überlegungen ausgehend kam in erster Linie die Reduktion des ß-Hydroxy-ß-methylglutaryl-CoA oder wie ich es in Zukunft nennen will, abgekürzt HMG-CoA, zur Mevalonsäure in Betracht, weil bei dieser Reaktion die Synthese des Cholesterols abzweigt von der anderen Reaktion, die in der Leber auch eine wichtige Rolle spielt, der Bildung der Acet-Essigsäuren. Wir kamen also zu folgender Ansicht: Dass also hier, an dieser Verzweigungsstelle, HMG-CoA einerseits zur Acetoacetat andererseits zur Mevalonsäure, das Cholesterol, das Endprodukt möglicherweise hemmen können. Und diese Annahme erwies sich dann auch als richtig, wie erstmalig von der Amerikanerin Nancy Bucher 1959 bei einem kurzen Gastaufenthalt in unserem Laboratorium bewiesen wurde. Sie studierte in den Lebern von Hungerratten, von denen bekannt war, dass sie kein Cholesterol mehr synthetisieren können und fand dabei, dass die gestörte Cholesterolsynthese in diesen Lebern tatsächlich auf einen Mangel an dieser Enzym-HMG-CoA-Reduktase beruht. In der Folgezeit wurde die Steuerfunktion der HMG-CoA-Reduktase durch zahlreiche Untersuchungen bestätigt und es ließ sich nachweisen, dass ein Mangel an HMG-CoA-Reduktase-Aktivität außer durch Futterentzug auch durch cholesterolreiche Nahrung oder durch Injektion von Gallensäuren ausgelöst werden kann, dass also all die Faktoren, von denen ich vorher sprach, die die Cholesterolsynthese erniedrigen, dass die eben auch einen Effekt auf die Aktivität dieses Enzyms für die Reduktion des HMG-CoA zur Mevalonsäure haben. Und zur Illustration dessen, was ich gerade gesagt habe, ist im nächsten Bild das Ergebnis einer vor Kurzem veröffentlichten Untersuchung amerikanischer Biochemiker wiedergegeben, in der die HMG-CoA-Reduktase-Aktivität, das ist die Kurve mit den offenen Kreisen, die Geschwindigkeit des Einbaus von markierten Essigsäure in Cholesterol, das sind die ausgefüllten Kreise, aufgetragen wurden, und zwar nach Fütterung von Cholesterol, in Stunden, 5-prozentige Cholesteroldiät, und hier ist aufgetragen der Cholesterolspiegel in der Leber. Nun, wie man aus dieser Kurve, aus diesem Bild ersehen kann, nehmen Reduktase-Aktivität und Cholesterolsynthese im gleichen Umfang ab. Nach 10 Stunden Cholesterol-Fütterung waren beide Aktivitäten auf etwa 20 Prozent des Kontrollwertes abgefallen. Und der gleichzeitig beobachtete Anstieg des Cholesterolspiegels in der Leber beweist die Tätigkeit einer intrazellulären Kontrolle des Syntheseprozesses. Und um einen tieferen Einblick in die Art der Regulation zu gewinnen, hat Hamprecht in unserem Laboratorium systematische Studien an diesem Enzym HMG-CoA-Reduktase durchgeführt. Zur Bestimmung der Enzymaktivität wurde HMG-CoA, das durch Einbau von radioaktivem Kohlenstoff in die Kohlenstoffkette markiert war, mit den enzymhaltigen Anteilen der Leber, den sogenannten Mikrosomen, in Gegenwart des biologischen Reduktionsmittels TPNH oder NADPH inkubiert und anschließend die gebildete Mevalonsäure isoliert und ihre Radioaktivität gemessen. Das nächste Bild gibt nur die chemischen Grundlagen dieses Testes wieder, es wird also ein HMG-CoA, hier ist die Formel, wir wollen uns dabei nicht aufhalten, in der also hier diese Carboxylgruppe radioaktiv markiert war. Diese radioaktiven Markierungen führen wir auf enzymatischem Wege durch, weil in unserem Laboratorium das Enzym vorhanden ist, welches am Methylcrotonyl-Coenzym A Kohlensäure bindet. Wenn man da radioaktive Kohlensäure, radioaktives Bicarbonat einsetzt, kommt man also über dieses Zwischenprodukt zum radioaktiven HMG-CoA, das wird also eingesetzt, man setzt das Reduktionsmittel TPNH zu und isoliert dann die gebildete radioaktive Mevalonsäure und kann dann aus dem Radioaktivitätswert der Mevalonsäure auf die Menge gebildeter Mevalonsäure zurückschließen. Mit den Experimenten in dieser Tabelle, die von Hamprecht stammt, ließ sich unsere frühere Beobachtung, dass die Reduktase-Aktivität in den Mikrosomen aus Fastentieren nahezu vollständig verschwunden war, in vollem Umfang bestätigen. Hier ist die Aktivität des Enzyms in normalen Tieren wiedergegeben, und hier unten in Tieren, die 24 Stunden gefastet hatten. Zur Erklärung dieses Befundes, dieser Erniedrigung der Enzymaktivität, gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: Entweder beruht die Erniedrigung der Enzymaktivität darauf, dass das Enzymprotein selbst fehlt, oder aber der Enzymgehalt der Hungerleber ist normal, aber seine Aktivität kann sich als Folge der Gegenwart eines in den Mikrosomen enthaltenen Hemmstoffs nicht entfalten. Und diese beiden Möglichkeiten, die hier aufgezeigt sind, ließen sich durch ein einfaches Experiment unterscheiden. In diesem Experiment wurden gleiche Lebermengen aus Hungerratten und aus normal ernährten Kontrolltieren entweder separat oder im Gemisch zerrieben homogenisiert und jeweils die enzymhaltige Zellfraktion durch fraktioniertes Zentrifugieren isoliert. Wenn die Leber der Hungertiere einen Hemmstoff enthielte, dann müsste dieser im Gemisch auch die Aktivität des Enzyms aus den Kontrolltieren erniedrigen. Die Auswertung des Versuchs ergab jedoch, wie man hier sehen kann, dass die Mischung der Mikrosomen genau die Aktivität besaß, die sie für eine Mischung aus aktiven und inaktiven Mikrosomen berechnet. Sie sehen 2,4 + 0,3 macht 2,7, durch 2 = 1,35, und gefunden wurde also 1,4, also eine sehr gute Übereinstimmung. Und damit war nahegelegt, dass die erniedrigte Enzymaktivität in den Lebermikrosomen aus Hungertieren auf einen Mangel an Enzymprotein beruht, und das ist inzwischen in anderen Laboratorien bestätigt worden. Es konnte vor allen Dingen auch gezeigt werden, dass Mangel an HMG-CoA-Reduktase ebenfalls für die reduzierte Cholesterolsynthese in Tieren nach Cholesterol-Fütterung oder nach Zufuhr von Gallensäuren verantwortlich ist. Das heißt, in allen drei Fällen - Hunger, Cholesterol-Fütterung oder Gallensäure-Fütterung - kommt es zu einer Abnahme am Enzym in der Leber und infolge davon zu einer Erniedrigung der Cholesterolsynthese. Nun, wie lassen sich diese Veränderungen des Enzymspiegels in der Leber erklären? Es ist vorauszuschicken, dass Enzymproteine sowie viele andere Bestandteile lebender Zellen in einem ständigen Umsatz begriffen sind, sodass ihre Konzentration einem stationären Zustand entspricht, der sich durch das Verhältnis der Geschwindigkeiten von Synthese und Abbau ergibt. Das heißt schematisch, wir haben also aktives Enzym, das aus Aminosäuren gebildet wird und das wird in inaktive Abbauprodukte umgewandelt, diese Prozesse laufen fortgesetzt ab, und der Spiegel an aktivem Enzym ist durch das Verhältnis der Geschwindigkeit der Synthese und der Geschwindigkeit des Abbaus bestimmt. Nach unserer Entdeckung, dass Hunger oder die Verfütterung von Gallensäuren zu einem stark erniedrigten Spiegel der HMG-CoA-Reduktase führen, stellten wir die Hypothese auf, dass dieses Enzym in einem sehr raschen Umsatz begriffen ist und dass die metabolische Regulation an ihrer De-Novo-Synthese eingreift. Es ist bekannt, dass manche Leberenzyme Halbwertszeiten zwischen 2 und 5 Stunden besitzen, das heißt, dass in dieser Zeitspanne die Hälfte des betreffenden Enzyms abgebaut und auch neu synthetisiert wird. Nach früheren Beobachtungen Regen in unserem Laboratorium, wonach innerhalb einer Fastenperiode von nur 5 Stunden der HMG-CoA-Reduktase-Gehalt der Rattenleber bereits auf ein Drittel des Ausgangswertes abgesunken war, berechnete sich auch für dieses Enzym eine Halbwertszeit von nur etwa 3 Stunden. Daraus folgt aber, dass der Reduktase-Spiegel nur dann konstant bleiben kann, wenn durch fortgesetzte Neubildung des Enzyms der fortgesetzte Abbau des Enzyms kompensiert wird. Und das führt dann zu dem hier gezeigten Bild, dass eben Fasten, Cholesterol-Fütterung und Gallensäuren-Fütterung auf die Neusynthese einwirken, wenn diese die Synthese bremsen, dann kommt es eben zu einem Absinken des Enzymspiegels in dem Organ. Die Beteiligung des Eiweißstoffwechsels an der Regulation der Cholesterolsynthese zeigte sich auch bei Untersuchungen zum täglichen Rhythmus der Enzymaktivität. Bei der Messung des Einbaus von Essigsäure in Cholesterol durch Gewebsschnitte aus Rattenleber mit der Warburgschen Gewebsschnitttechnik, die von Dr. Back in meinem Laboratorium vor Jahren durchgeführt wurde, ergab sich, dass dieser Einbau während der Nachtstunden sehr viel schneller erfolgt als während des Tages. Hier ist aufgetragen die Inkorporation von Acetat in Cholesterol, bezogen auf 500 Milligramm Gewebe in der Stunde, Sie sehen, dass hier der Einbau in der Nacht - hier sind die Tageszeiten aufgetragen - in der Nacht sehr viel rascher erfolgt als am Tag. Hier ist Mittag, da ist also eine niedrige Aktivität, Mitternacht hohe Aktivität. Das heißt, die Fähigkeit zur Cholesterolsynthese pendelt zwischen einem Minimum in der Mittagszeit und einem Maximum um Mitternacht. Die Beteiligung der Proteinsynthese an diesem Rhythmus ergab sich daraus, dass der Anstieg der Enzymaktivität in den Nachtstunden durch Injektion von Cycloheximid oder einem bekannten Hemmstoff der Proteinsynthese oder auch durch andere Hemmstoffe der Proteinsynthese unterbunden werden kann und - interessanterweise - dass auch mit eine Fütterung einer Diät, die 1 Prozent Gallensäuren enthielt, dieser Anstieg ebenfalls unterbunden werden konnte. Hier ist also ein Versuch, wo die Ratten mit Gallensäuren gefüttert wurden, mit einer Diät, die Gallensäure enthält. Sie sehen, auch hier kommt dieser Anstieg nicht mehr zustande, es kommt also zum Absinken der Enzymaktivität. Und dass auch hier die rhythmischen Erscheinungen der Inkorporation von Acetat in Cholesterol auf Änderungen im HMG-CoA-Reduktase-Gehalt der Leber zurückzuführen sind, wurde dann von Hamprecht nachgewiesen. Hier ist aufgetragen die Enzymaktivität, spezifische Aktivität der Leber, Tageszeit, Dunkel-Hell-Periode, und Sie sehen, Dunkelperiode - hohe Aktivität, bitte bemerken Sie die Zahlen 10, 30, 70, 50 und am Tag um die Mittagszeit nur 10 oder unter 10 Aktivitätseinheiten. Das heißt, der Enzymspiegel zeigt den gleichen täglichen Rhythmus wie die Geschwindigkeit der Cholesterol-Biosynthese. Auch diese Beobachtungen sind inzwischen in anderen Laboratorien bestätigt worden. Im täglichen Rhythmus der HMG-CoA-Reduktase-Aktivität spiegelt sich die allgemeine Aktivität der Ratten wider, die als Nachttiere während der Nacht aktiv und unter Tags träge sind. Es lag deshalb nahe zu prüfen, ob der Wechsel von Licht zu Dunkel als Zeitgeber für den rhythmischen Vorgang dient. In dieser Versuchsreihe, die Hamprecht und Huber unabhängig durchführten, wurden die Tiere zuerst an einen Beleuchtungsrhythmus adaptiert, welcher dem normalen Tag folgte. Dann wurde der Beleuchtungszyklus um 12 Stunden verschoben, das heißt, Dunkel- und Hellperiode wurden ausgetauscht. In den Tagen nach der Phasenverschiebung wurden dann die Essgewohnheiten der Ratten und der HMG-CoA-Reduktase-Spiegel ihrer Lebern gemessen. Nun, in der nächsten Figur - bitte das nächste Bild - ist die Futteraufnahme der Tiere innerhalb 24 Stunden in die prozentuale Futteraufnahme zwischen 19:00 Uhr und 07:00 Uhr, das ist die Kurve 1, und zwischen 07:00 Uhr und 19:00 Uhr, die Kurve 2, geteilt. Und Sie sehen auf dieser Kurve, auf diesem Bild, dass es etwa 6 bis 7 Tage dauerte, bis die Tiere sich an den neuen Hell-Dunkel-Wechsel adaptiert hatten. Das heißt, am ersten Tag aßen sie noch während der Hellperiode sehr viel, in der Dunkelperiode wenig, also ganz verschieden von der Normalratte, die ja im Dunkeln viel isst und in der Hellperiode wenig, aber innerhalb von 6 bis 7 Tagen hatte sich die Sache ausgeglichen, dann hatten sie sich wieder adaptiert, nachts viel zu fressen, unter Tags wenig, also im Hellen, ich will sagen, im Dunkeln viel zu fressen - in der Hellperiode wenig. Parallel zu den Messungen der Futteraufnahme wurde die Aktivität der HMG-CoA-Reduktase in dem isolierten Lebermikrosom bestimmt, und zwar um 24:00 Uhr, das ist die Kurve 1, und um 12:00 Uhr, also um die Mittagszeit, das ist die Kurve 2, das lässt sich wiederum auch aus dieser Figur entnehmen, dass auch hier der Austausch von hoher und niedriger Enzymaktivität allmählich vonstatten geht und ziemlich exakt den Veränderungen in der Futteraufnahme folgt, die wir vorhin gesehen haben. Auch hier war nach 7 Tagen - hier ist die Zeile in Tagen aufgetragen - auch hier waren nach 7 Tagen die Werte der Enzymaktivität dem neuen Hell-Dunkel-Zyklus vollständig angepasst und änderten sich deshalb während einer zweiten Beobachtungsperiode von 7 Tagen nicht mehr. Hier ist noch einmal nach 14 Tagen die Aktivität gemessen worden, da hat sich nichts mehr verändert. Nun, beim Vergleich des Rhythmus der Enzymaktivität in normalen Ratten und resynchronisierten Ratten nach Ablauf einer Adaptionsperiode von 14 Tagen zeigten die beiden Kurven weitgehend übereinstimmenden Verlauf. Hier sind die Normaltiere und die umgestellten Tiere, also die Normaltiere sind die Kurve 2, die umgestellten Tiere die Kurve 1, und Sie sehen, sie zeigen den gleichen Verlauf die beiden Kurven, jedoch - wie natürlich zu erwarten - mit einer Phasendifferenz von 12 Stunden. Mit diesen Experimenten war es bewiesen, dass der Wechsel zwischen Licht und Dunkel den Zeitgeber für den täglichen Rhythmus der HMG-CoA-Reduktase-Aktivität darstellt, wie das auch bei vielen anderen rhythmischen Prozessen gefunden wurde. Allerdings bleibt damit die Frage noch offen, ob der Hell-Dunkel-Rhythmus selbst den Rhythmus der Enzymaktivität synchronisiert oder ob er nur einen endogenen circadianen Rhythmus, also ungefähren Rhythmus der Tiere auf den 24-Stunden-Rhythmus der Beleuchtung einstellt. In den besprochenen Versuchen hatte sich ergeben, dass die Tiere in der Dunkelperiode viel Futter aufnehmen und nur wenig in der Hellperiode, weshalb sich die Frage erhob, ob die Nahrungsaufnahme die Periode der erhöhten Enzymaktivität induziert oder umgekehrt, ob Nahrungsmangel während der Hellperiode Enzymrepression, also Erniedrigung der Enzymsynthese verursacht. Dieser Annahme lässt sich entgegenhalten, dass auch in Ratten, die für 24 Stunden gehungert hatten, rhythmische Veränderungen der Reduktase-Aktivität zu sehen sind. Hier ist also die Aktivität bei Hungertieren aufgetragen, wir sehen auch hier, im Dunkeln höhere Aktivität als in der Hellperiode, wenn auch - wie aus den Zahlen an der Ordinate ersichtlich ist - die Amplitude der Oszillation wesentlich erniedrigt ist. Sie erinnern sich, ich hatte Sie vorhin darauf aufmerksam gemacht, vorhin lag der Maximalwert bei 50 bis 70 Enzymeinheiten, hier liegt der Maximalwert zwischen 2 und 3 Enzymeinheiten, also sehr viel niedriger, aber auf was es hier ankommt, dass eben trotzdem noch ein solcher rhythmischer Prozess zu beobachten ist. Nun, aufgrund dieses Befundes kann kein Zweifel bestehen, dass das Potenzial für den Enzymrhythmus auch in Hungerratten vorhanden ist, aber die Aufnahme von Futter ist notwendig, um diesen Rhythmus voll zur Entfaltung zu bringen. Nun, die Existenz eines endogenen, von der Futteraufnahme unabhängigen Rhythmus hat zu der Vermutung geführt, dass an dieser Erscheinung Hormone beteiligt sind. Diese Vermutung hat sich allerdings bisher experimentell noch nicht bestätigen lassen. Adrenalektomie, also Entfernung von Nebennieren, ist ohne Einfluss auf den Reduktase-Rhythmus, was bedeutet, dass dieser Rhythmus weder durch die Kortikoid-Hormone der Nebennierenrinde noch durch die Katecholamine der Nebennieren-Medulla gesteuert wird. Ebenso scheint das epiphyseale System, dessen sekretorische Aktivität durch Ausschaltung der beiden oberen Zervikalganglien beeinflussbar ist, keine Wirkung auf die Aktivität des Enzyms zu haben. Es bedarf mithin weiterer Untersuchungen, um die Frage nach der Beteiligung von Hormonen am Enzymrhythmus zu beantworten. Die biochemischen Befunde zusammenfassend, lässt sich feststellen, dass aufgrund umfangreicher Untersuchungen die Rolle der HMG-CoA-Reduktase als Kontrollpunkt der Cholesterolsynthese im Säugetierorganismus gesichert ist. Die Kontrolle wird durch Veränderung des Enzymspiegels ausgelöst, woraus hervorgeht, dass die Synthese oder der Abbau dieses Schrittmacher-Enzyms der Cholesterolsynthese innerhalb weiter Grenzen variiert werden kann. Sowohl die Experimente an Tieren, die nach Hunger oder nach Fütterung von Cholesterol oder Gallensäuren untersucht wurden, wie auch die Versuche über den täglichen Rhythmus des Enzymgehaltes in der Leber machten es klar, dass Induktion oder Repression der Enzymsynthese die dominierende Rolle spielen. Weitere Versuche müssen nun klären, an welchen der Einzelschritte der Proteinsynthese die Kontrolle einsetzt, ob es den Transkriptionsschritt, das heißt das Kopieren der DNS in die spezifische Botschaft oder Messenger RNS, oder ob es den Translationsschritt, das heißt, die geordnete Aneinanderreihung der Aminosäuren in das Enzymprotein an den Ribosomen betrifft. Ob solche Untersuchungen dann auch zur Entwicklung von Arzneimitteln führen, welche spezifisch die Kontrollstellen der HMG-CoA-Reduktase-Synthese beeinflussen, ist eine offene Frage. Sollte dies gelingen, dann wäre vielleicht auch der Zeitpunkt gekommen, dass die Medizin Hypercholesterolämien auf rationaler Grundlage behandeln und damit einen der gefährlichen Risikofaktoren der Arteriosklerose ausschalten kann. Nun, zuletzt noch die Namen der Herren und Damen, die ich im Laufe meines Vortrags genannt habe, Peter Back, der also bei Untersuchungen über die Cholesterolsynthese mit Leberschnitten den Rhythmus der Acetatinkorporation entdeckt hat, Nancy Bucher, ein Gast aus Amerika, die kurze Zeit bei uns war, die damals das Problem der HMG-CoA-Reduktase-Regulation zu uns brachte, David Regen, der den raschen Umsatz, die kurze Halbwertszeit des Enzyms in der Leber festgestellt hat, und dann Bernd Hamprecht, der als Doktorand bei mir war, der dann aber das Thema mitgenommen hat, zwar noch im selben Haus, aber selbständig bearbeitet und hier zusammen mit Jochen Huber vor allen Dingen die Frage der hormonellen Regulation der Enzymaktivität studiert hat, also Huber ist eigentlich ein Enkel von mir, ist nicht ein Sohn wie Hamprecht sein Enkel, ein wissenschaftlicher Enkel. Und die Frage, wenn man sich mit Cholesterolsynthese beschäftigt, passt sehr gut in die alte Arbeitsrichtung des Münchner Institutes, wo ja Heinrich Wieland sich mit der chemischen Struktur der Gallensäuren, wie Herr Auhagen einleitend sagte, intensiv beschäftigt hat... Nun, über Heinrich Wieland als Zwischenperson zu Bernd Hamprecht - Jochen Huber - es ist also eine Reihe von vier Generationen.

Feodor Lynen (1972)

Cholesterol and Arteriosclerosis (German presentation)

Feodor Lynen (1972)

Cholesterol and Arteriosclerosis (German presentation)

Comment

Cholesterol is a chemical compound with a rather bad image. High cholesterol levels are commonly associated to malnutrition and a poor health status leading to cardiovascular diseases like heart attacks or strokes. This is due to cholesterol’s tendency to form solid deposits in arteries causing blockages and arteriosclerosis. The insight, that cholesterol in particular is found in such deposits is surprisingly old: it was published already in 1911 by the laboratory of Adolf Windaus, who later received the 1928 Nobel Prize in Chemistry for elucidating the structures of cholesterol and several related compounds. Large epidemiological studies, published during the middle of the 20th century, then unambiguously confirmed that high blood cholesterol levels are in fact a major risk factor for arteriosclerosis.Today we know that, despite its bad public image, cholesterol is essential to all mammalian life. Our cells require it to maintain their plasma membranes and important biomolecules like vitamin D or hormones such as testosterone and oestrogen are biosynthesized from it. So how can a molecule so important as cholesterol become such a menace? This question could only be properly understood on the basis of the work of Konrad Bloch and Feodor Lynen. The two German-born scientists had shown how our bodies metabolize fats and cholesterol and regulate their levels. They eventually received the 1964 Nobel Prize in Physiology or Medicine for this achievement. In the present lecture, Feodor Lynen gives a review of this work and further research on cholesterol done after the 1964 award. He points out that the cholesterol required by our body is obtained both from food and from a complicated biosynthetic pathway comprising 37 reaction steps. The latter mainly takes place in the liver. In a healthy human, the biosynthesis of cholesterol is adjusted according to the intake via food. If more cholesterol is consumed, less cholesterol is made in the liver and vice versa. In the liver, cholesterol is furthermore biodegraded to bile acids, major constituents of bile (gall), which are excreted in the frame of digestion, thus further lowering blood cholesterol. However, these regulation mechanisms have limitations and can be affected by diseases or individual predisposition. In this context, Lynen mentions that saturated fats increase cholesterol blood levels more than unsaturated fats do. Since meat products are rich in saturated fats, a good (and rather popular) way of reducing the risk of cardiovascular diseases is a diet rich in vegetables, Lynen says.He then goes on to discuss the biosynthesis and regulation of cholesterol in more chemical detail. In his 1975 Lindau lecture, given three years after the present one, he should discuss this particular issue again, incorporating results obtained in the meantime. David Siegel

Cite


Specify width: px

Share

COPYRIGHT

Cite


Specify width: px

Share

COPYRIGHT


Related Content