Feodor Lynen (1966) - Build-Up of Fatty Acids in the Cell (German presentation)

Meine Damen und Herren, unter den drei Nährstoffen Kohlenhydrate, Eiweiß und Fett ist Fett kalorisch am hochwertigsten. Wie Sie vielleicht wissen, werden während der Verbrennung von Kohlenhydrat oder Eiweiß im Organismus 4,5 kcal/g Nahrungsstoff geliefert, während bei der Verbrennung von 1 Gramm Fett die doppelte Menge, Und wenn deshalb die Hausfrau sich eine Nahrungsreserve in Zeiten der Not schaffen will und mit Platz sparen muss, so kann man ihr nur raten, sich einen Vorrat von Fett anzulegen. Das war den Menschen übrigens seit urdenklichen Zeiten bekannt, schon lange, bevor es die Kalorientabellen unserer Tage gab. Aber noch viel, viel früher, noch lange, bevor im Laufe der Evolution die ersten Menschen, menschlichen Wesen auf dem Erdball erschienen sind, ist diese Tatsache bereits in den lebenden Organismen selbst ausgenützt worden. Die Samen vieler Pflanzen enthalten große Mengen Fett als Reservematerial, und im Tierreich bis hinauf zum Menschen steht Fett unter den Reservestoffen an der ersten Stelle. Das wissen wir alle aus eigener Erfahrung, weil ja jedes Zuviel an Nahrung in Form der Fettpolster in unserem Körper - vielfach nicht gerade erwünscht - abgelagert wird. Dabei spielt es keine Rolle, ob das Zuviel an Nahrung selbst Fett war oder ob es aus Kohlenhydraten oder Eiweiß bestand, weil der Organismus in der Lage ist, Fett aus anderen Nahrungsstoffen, zum Beispiel aus Kohlenhydraten, selbst aufzubauen. Die Herkunft des Fettes aus Kohlenhydraten, wie schon von Justus von Liebig für die Pflanzenfresser behauptet, ist auf folgendem Wege experimentell einwandfrei bewiesen worden. Und zwar wurden in diesen Versuchen möglichst fettarme Tiere - man hat Schweine eingesetzt - unter möglichster Einschränkung der Fett- und Eiweißzufuhr mit überschüssigen Kohlenhydratmengen gemästet, hier ist Reis verfüttert worden. Und ergab dann das angelagerte Fett, das heiß die Differenz der Fettmengen eines vor und eines nach der Messung geschlachteten Tieres einen größeren Wert als aus dem sämtlichen zugeführten Fett und dem abgebauten Eiweiß sich ergeben konnte, so war die Fettbindung aus Kohlenhydraten erwiesen. Versuche dieser Art sind zahlreich angestellt worden und sie ergaben, dass der tierische Organismus von der Fettzufuhr mit der Nahrung nahezu unabhängig ist. Ich muss hier eine gewisse Einschränkung anbringen, weil bestimmte Bestandteile der Fette, die in besonders hoher Konzentration in pflanzlichen Ölen, wie Sonnenblumenöl oder Rapsöl vorkommen aber auch im Schweineschmalz und in der Butter anzutreffen sind, im Körper nicht gebildet werden können, der mengenmäßige Bedarf an diesen sogenannten essenziellen oder unentbehrlichen Fettsäuren ist aber verhältnismäßig gering und in etwa dem Bedarf an Vitaminen vergleichbar. Wenn man aber schon von Fettsäuren spricht, dann ist es an der Zeit etwas über die Beziehungen zwischen Fettsäuren und Fetten zu erfahren. Chemisch gesehen sind Fette Glycerinester der Fettsäuren. Und da im Glycerin - das Sie hier sehen - 3 OH-Gruppen, oder wie der Chemiker sagt, alkoholische Gruppen, vorhanden sind, können 3 Moleküle Fettsäure mit einem Molekül Glycerin verbunden sein. Und diese 3 Moleküle können entweder chemisch gleich oder verschieden sein, was eine große Mannigfaltigkeit der Fette bedingt. Die verschiedenen Fettsäuren haben im Grunde den gleichen chemischen Bauplan, der dann hier oben wiedergegeben ist. Sie bestehen meist aus einer geradkettigen, unverzweigten Kohlenwasserstoffkette, diesem Teil hier, wie der Name schon sagt, ist dieser Teil nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff, C und H, aufgebaut, und dieser Teil trägt am Ende eine Carboxylgruppe COOH. Diese Carboxylgruppe ist hier schematisch, diese Zickzack-Linie soll einfach diesen Kohlenwasserstoffteil wiedergeben, hier finden wir diese Carboxylgruppe, und diese Carboxylgruppe ist in den Fetten mit dem Glycerin verästet, sodass hier unten als das Fett selbst, die Formel des Fetts selbst wiedergegeben ist. Die einzelnen Fettsäuren unterscheiden sich einmal in der Länge der Kohlenstoffkette, das sehen Sie hier, hier ist eine Reihe von solchen Fettsäuren aufgetragen, Sie sehen, dass die Kohlenstoffkette verschieden lang ist, am einen Ende COOH, am anderen Ende steht diese CH3-Gruppe, also das ist ein Unterschied zwischen den verschiedenen Fettsäuren. Und zwar sind die meisten natürlich vorkommenden Fettsäuren aus 16 oder 18 Kohlenstoffatomen aufgebaut, wie Palmitin- oder Stearinsäure. Ein zweiter Unterschied ist durch Zahl und Lage von Doppelbindungen im Kohlenwasserstoffteil gegeben. Viele Fettsäuren, wie Palmitin- oder Stearinsäure, enthalten überhaupt keine Doppelbindungen, man nennt sie deshalb gesättigte Fettsäuren. Andere hingegen, wie die Ölsäure, die Linol- und die Linolensäure, die hier unten stehen, Öl-, Linol- und Linolensäuren gehören zu den essenziellen Fettsäuren, denen allen wie der Stearinsäure eine Kette aus 18 Kohlenstoffatome eigen ist, Sie sehen, die Kettenlänge ist die gleiche, aber diese Säuren enthalten nun eine bzw. zwei, drei Doppelbindungen im Molekül, man nennt sie deshalb ungesättigte Fettsäuren. Und im Zuge der biologischen Fettsynthese werden Glycerin und Fettsäuren auf getrennten Wegen gebildet und dann miteinander unter Bildung der Fette vereinigt. Herrschen im gebildeten Fettmolekül gesättigte Fettsäuren vor, also solche ohne Doppelbindung, wie etwa im Rindertalg, dann ist das Fett bei Zimmertemperatur fest. Steigt dagegen der Gehalt an ungesättigten Fettsäuren an, an Ölsäure, Linol- oder Linolensäure, dann sinkt der Schmelzpunkt, sodass schließlich in den pflanzlichen Ölen das Fett bei Zimmertemperatur flüssig ist. Die Bildung des Glycerins aus Kohlenhydraten ist seit langem chemisch aufgeklärt. Man hat zuerst nachgewiesen, dass es als Nebenprodukt bei der Vergärung von Zucker entsteht und dann die einzelnen Stufen dieses Prozesses in chemischer Hinsicht aufgeklärt. Die Einblicknahme in die Biosynthese der Fettsäuren, des zweiten Bestandteils der Fette, hat sehr viel länger auf sich warten lassen. Man hat zwar frühzeitig erkannt, dass die langen Kohlenstoffketten durch Aneinanderreihung kleiner Bausteine aufgebaut werden, aber wie das im Einzelnen vor sich geht, hat man erst in jüngster Zeit erfahren. Von vornherein kamen alle möglichen Vorstufen in Betracht, organische Moleküle, die aus drei, zwei, vier oder sechs miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen bestehen, dass eigentlich nur Vorstufen mit zwei Kohlenstoffatomen in Betracht kommen, hat dann sehr nachdrücklich der physiologische Chemiker Franz Knoop bereits um die Jahrhundertwende betont. Ihm war aufgefallen, dass im tierischen Fett fast nur Fettsäuren mit gerader Anzahl von Kohlenstoffatomen vorkommen und besonders in der Milch die Reihe der Säuren von vier Kohlenstoffatomen, wie hier oben steht, bis zu der Säure mit 18 Kohlenstoffatomen lückenlos vorhanden ist. Um ihre experimentelle Sicherung erfuhr diese Vorstellung jedoch erst mit der Einführung der Isotopen Markierungstechnik in die Biochemie, die auf die Pioniertat Georg von Hevesys zurückgeht, den wir leider in diesem Jahr nicht unter uns sehen. Die Anwendung dieser Isotopen Markierungstechnik auf das Problem der Fettsäuresynthese, fast gleichzeitig von Rudolf Schönheimer in New York und von Robert Sonderhoff in München erreicht, führt zu der Erkenntnis, dass der Baustein der Fettsäuren, die zwei Kohlenstoffatome enthaltende einfachste Carbonsäure, Essigsäure ist, die Sie hier oben sehen. Damit war das Verbindungsglied zwischen Kohlenhydraten und Fettsäuren aufgefunden, denn es war bekannt, dass Essigsäure bei der biologischen Oxidation der Kohlenhydrate auftreten kann, bevor die vollständige Verbrennung zu Kohlendioxid und Wasser im Zitronensäurezyklus einsetzt. In den Versuchen von Schönheimer und Sonderhoff diente als Etikett zur Markierung der Essigsäure, das schwere Wasserstoffisotop Deuterium. In späteren Versuchen, über die Konrad Bloch 1945 berichtete, wurde eine doppelt markierte Essigsäure verwendet, eine, die sowohl in der COOH-Gruppe wie auch in der Methylgruppe markiert war und damit nachgewiesen, dass erwartungsgemäß beide Kohlenstoffatome der Essigsäure beim Aufbau der Fettsäuren eingebaut werden. Mit diesen Untersuchungen wurde ein wichtiger Fortschritt erzielt, die chemischen Details der Umwandlung von Essigsäure in die Fettsäuren blieben aber noch ungeklärt. Zu diesem Zeitpunkt hatte man nämlich bereits erkannt, dass die freie Essigsäure für biosynthetische Prozesse, wie zum Beispiel die Fettsäuresynthese, durch chemische Umwandlung in ein Derivat, das als aktivierte Essigsäure bezeichnet wurde, chemisch vorbereitet werden muss. Es ist nämlich allgemein so, dass in den chemischen Aufbauvorgängen, und darunter fallen nicht nur die Bildung der Fettsäuren aus Essigsäure, sondern auch die Bildung der Eiweißkörper aus den Bausteinen Aminosäuren oder die Bildung der Polysaccharide, Stärke und Zellulose aus Traubenzucker und viele andere Synthesen, dass bei diesen Aufbauvorgängen Kohlenstoffverbindungen von komplizierterer Struktur aus einfachen Bausteinen zusammengesetzt werden. Also so wie man ein Haus baut aus Ziegeln, so werden auch in der Zelle aus einfachen Bausteinen die komplexen organischen Moleküle synthetisiert. Mit diesem Aufbau aus einfachen Bausteinen ist ein energetisches Problem eng verbunden, weil sich die Bausteine im Verband der komplexen Moleküle auf einem höheren Energieniveau befinden als im freien Zustand. Daraus folgt unmittelbar, dass ein Arbeitsaufwand bei biosynthetischen Reaktionen erforderlich ist. Die lebende Zelle nützt deshalb bei ihren Biosynthesen die Tatsache aus, dass kein Energieaufwand erforderlich ist, wenn der Baustein nicht frei, sondern schon in gebundener Form vorliegt und gewissermaßen als Gruppe von einer Verbindung auf eine andere übertragen wird. Ein solcher Vorgang, den man als Gruppenübertragung bezeichnet hat, verläuft freiwillig. Und bei vielen biosynthetischen Prozessen muss deshalb chemische Energie in vorbereitenden Reaktionen zugeführt werden, wo sie dazu dient, den freien Baustein an ein Vehikel, vielfach ein Coenzym, zu binden und damit zu aktivieren. Und diese energetischen Verhältnisse werden durch das hier gezeigte Energieschema erläutert - hier ist die Energie der Gruppe aufgetragen, und sehen Sie hier, der freie Baustein, null Energie, nur wenn er gebunden wird, hat er eine gewisse Bindungsenergie. Und um nun in diesen gebundenen Baustein - da ist eine Übertragung von einer zur anderen Verbindung möglich - aber um einen freien Baustein in die gebundene Form umzuwandeln, muss Energie zugeführt werden. Hier unten ist eine kleine Auswahl von derartig aktivierten Verbindungen aufgeführt, die bei der Synthese der Polysaccharide, Nukleinsäure oder Proteine beteiligt sind - wir wollen hier an dieser Stelle nicht weiter darauf eingehen. Diese energieverbrauchende Aktivierung des freien Bausteins wird in der Zelle generell durch die Spaltung von Adenosintriphosphat, abgekürzt ATP, erreicht, das dabei gespalten wird. Dieses ATP, dessen Formel Sie im nächsten Bild sehen können, das den meisten von Ihnen ja bekannt ist, dieses ATP ist der generelle Energieträger der Zelle, also die Münze der Zelle, mit der Energiebedarf gedeckt wird, und dieses ATP entsteht bei den Vorgängen der Energielieferung durch Atmung und Gärung aus ADP, dem Adenosindiphosphat und Phosphorsäure. Im ATP sind drei Phosphatgruppen miteinander verbunden, und wenn nun umgekehrt das ATP gespalten wird, dann wird die Energie frei, und die kann für chemische Reaktionen, zum Beispiel biosynthetische Reaktionen, verwendet werden. Die aktivierte Essigsäure des Zellstoffwechsels ist eine chemische Verbindung aus Essigsäure mit dem sogenannten Coenzym A, die Formel sehen Sie hier - bitte erschrecken Sie nicht. An diesem Coenzym, dessen Formel wir im Einzelnen nicht diskutieren wollen, das Coenzym ist von Fritz Lipmann entdeckt worden, in diesem Coenzym ist der Gehalt an Pantothensäure - dieser Abschnitt des Moleküls - bemerkenswert. Die Pantothensäure gehört nämlich zu den Vitaminen, das heißt zu einer Klasse höchst wirksamer Substanzen, die in der Nahrung enthalten sein müssen, weil sie vom menschlichen und tierischen Organismus nicht selbst erzeugt werden können. Fehlen sie in der Nahrung, so stellen sich schwere Krankheitszustände ein, die zum Tod führen können und als Vitaminmangelkrankheiten oder Avitaminosen bezeichnet werden. Unzureichende Zufuhr von Pantothensäure mit der Nahrung führt zu einer Reihe von Symptomen und zu Störungen des Wachstums, Defekten des Nervensystems und krankhaften Erscheinungen im Magen-Darm-Trakt. Am auffälligsten sind Hautveränderungen und eine schwere Schädigung der Nebennieren, Krankheitssymptome, die als die äußeren Zeichen einer tiefgreifenden Störung des Essigsäurestoffwechsels anzusehen und auf das Fehlen von Coenzym A dieser Verbindung zurückzuführen sind. Bei Pantothensäuremangel fehlt ja dem Organismus ein wesentliches Glied zum Aufbau des Coenzyms, das heißt, wenn dieser Teil fehlt, dann kann die Verbindung im Körper nicht synthetisiert werden. Für die chemische Funktion des Coenzyms im Stoffwechsel ist das in Form einer Sulfhydryl- oder SH-Gruppe vorliegende Schwefelatom - das Sie hier sehen, dieses S - von wesentlich größerer Bedeutung. An diesem Schwefelatom können nämlich organische Carbonsäuren, wie Essigsäure oder ihre höheren Homologen, in aktivierter, das heißt zu chemischen Umsetzungen befähigter Form gebunden werden. Die Fixierung der Essigsäure an das Coenzym A kann in Übereinstimmung mit unserem Energieschema von vorhin in verschiedener Weise erfolgen. Einmal kann es gebildet werden durch Übertragung eines Acetylrestes aus einem geeigneten Acetyl-Donator, was sich durch dieses Schema wiedergeben lässt. Die Acetylgruppe vom Donator geht auf den Schwefel, das ist dieses Acetyl-Coenzym A, wir wollen diese Abkürzung SCoA, das ist also das Coenzym A-Molekül, und dabei unter Bildung des acetylfreien Donator-Moleküls. Bei der Verwertung der Kohlenhydrate, wie Stärke oder Rohrzucker, hat die Oxidation von Brenztraubensäure als Acetyl-Donator-Reaktion die größte Bedeutung. Die Kohlenhydrate werden in der ersten Phase dieses vielstufigen Abbaus über eine Reihe phosphorylierter Zwischenprodukte in die Brenztraubensäure übergeführt, dessen Formel Sie hier oben sehen, wir brauchen uns aber die Formel gar nicht merken. Und diese wird dann in Gegenwart von Coenzym A dehydriert, wobei die aktivierte Essigsäure Acetyl-Coenzym A-CO2 entsteht, der Wasserstoff, der dabei verfügbar wird, wird von Otto Warburgs Wasserstoff übertragenden Coferment Diphosphor-Pyridinnucleotid aufgenommen. Wie aus der Bilanzgleichung dieses Oxidationsvorganges ersichtlich ist, der hier wiedergegeben ist, wird dabei die in der Brenztraubensäure vorgebildete Acetylgruppe, das ist dieser Teil, CH3CO, aus der Bindung an Kohlensäure, COOH, übertragen auf das Schwefelatom des Coenzym A. Ein zweiter Weg zur Bildung des Acetyl-Coenzym A geht von freier Essigsäure aus, und er ist in den einleitend besprochenen Versuchen beteiligt gewesen, in denen der Aufbau von Fettsäuren aus Essigsäure mithilfe isotop markierter Essigsäure nachgewiesen wurde. Wir wollen uns auch diesen Prozess etwas genauer ansehen, weil wir an diesem Beispiel erfahren können, wie die Zelle einen freien Baustein aktiviert unter Verwertung der chemischen Energie des ATP. Zudem spielt dieser Vorgang in der Ernährung der Wiederkäuer, wie Rind, Schaf oder Ziege, eine ungemein wichtige Rolle. In ihren Pansen liefern bakterielle Prozesse aus der zellulosereichen Nahrung große Mengen Essigsäure, die ins Blut übertreten und dann in den verschiedenen Geweben nach Fixierung an Coenzym A verwertet werden können. Wir wollen uns außerdem daran erinnern, dass die chemischen Prozesse in den Lebewesen durch spezifische Katalysatoren von Eiweißnatur durch die sogenannten Enzyme oder Fermente ermöglicht werden. Durch ihre nur in Spuren benötigte Gegenwart beseitigen sie Reaktionswiderstände und bringen damit reaktionsträge Verbindungen zu einer in messbarer Geschwindigkeit verlaufenden chemischen Umsetzung. Um nun in die chemischen Details der Stoffwechselvorgänge einzudringen, macht die biochemische Forschung von der experimentellen Möglichkeit Gebrauch, die enzymatischen Katalysatoren von der lebenden Zelle abzutrennen, sodass man dann mithilfe isolierter Enzyme den vitalen Vorgang im Reagenzglas nachahmen kann. Und mithilfe des isolierten Enzyms für die Aktivierung der Essigsäure fand man, dass die an die Spaltung des ATP zu Adenosinmonophosphat AMP und Pyrophosphat geknüpfte Vereinigung von Essigsäure - hier haben wir die Essigsäure mit dem Coenzym A zu Acetyl-Coenzym A - dass dieser Prozess in einem 2-Stufen-Mechanismus verläuft, der hier oben wiedergegeben ist. Und zwar entsteht dabei ein Acetyl-AMP als Zwischenprodukt. Und dieses Acetyl-AMP entsteht im ersten Schritt durch Übertragung des im ATP gebunden vorliegenden AMP auf die freie Essigsäure. Damit wird aber die Essigsäure nun gebunden an das AMP, sodass ihrer Übertragung von Acetyl-AMP auf Coenzym A kein energetisches Hindernis im Wege steht. Der ganze Prozess ist an sich reversibel, wie dieser Doppelpfeil ausdrücken soll. Wenn nun aber in allen Zellen und Geweben ein sehr aktives Ferment vorkommt, das anorganisches Pyrophosphat, abgekürzt PP, unter Hydrolyse zu zwei Moleküle Orthophosphat aus dem Gleichgewicht entfernt, kann in vivo die Reaktion von rechts nach links niemals zum Zuge kommen. Ein zweistufiger Reaktionsmechanismus dieser Art, der, wie wir heute wissen, vielen Aktivierungsreaktionen im Stoffwechsel, darunter auch der Bildung der aktivierten Aminosäuren, der aktivierten Nukleotide und des aktivierten Zuckers zugrunde liegt, ist in biologischer Hinsicht höchst sinnvoll, weil der Organismus ja in Hinblick auf die von ihm vorzunehmenden chemischen Synthesen bestrebt sein muss, die Bausteine in gebundener und damit reaktionsfähiger Form zu behalten. Also die Essigsäure muss am Coenzym A gebunden sein, das will und das erreicht er durch diese Art von Reaktionsmechanismus. Mit dem Nachweis der Thioesterbindung in der aktivierten Essigsäure durch mein Laboratorium im Jahre 1950 war das Fundament gelegt für die Aufklärung der biologischen Fettsäuresynthese. Es hat aber dann doch noch acht Jahre gedauert, bis man erkannte, dass der Zelle die Thioesterbindung allein für den Vollzug dieser Synthese nicht genügt und sie zusätzliche Energie investiert. Diese wichtige Erkenntnis wurde von Sahlih Wakil in Madison, USA, beim Studium der zellfreien Fettsäuresynthese gewonnen. Wakil konnte aus Tauben- und Hühnerlebern zwei Enzymfraktionen isolieren, deren Zusammenwirken zur Synthese der Palmitinsäure aus Acetyl-Coenzym A führt, wenn das Reaktionsgemisch aus einem biologischen Wasserstoffspender in Form von Warburgs reduzierten Triphosphorpyridinnucleotid auch noch das ATP als Energiequelle enthielt, und was am meisten überraschte, wenn Kohlensäure zugegen war. Weiterhin wurde festgestellt, dass in einer der beiden Enzymfraktionen das Vitamin Biotin fest gebunden ist und offenbar an der Fettsäuresynthese beteiligt sein muss, denn bei der Reinigung des betreffenden Enzyms nahmen Biotingehalt und Enzymaktivität im gleichen Verhältnis zu und außerdem ließ sich das Enzym durch Avidin aus rohem Hühnereiweiß hemmen. Bei diesem Stoff Avidin handelt es sich um einen Eiweißkörper, der beim Studium einer Krankheit entdeckt wurde, die bei einseitiger Ernährung von Ratten mit rohem Eiklar auftritt und sich in einer schweren Dermatitis mit Schuppung der Haut, Lähmungen der Hinterbeine, Haarverlust um die Augen und einer verringerten Resistenz gegenüber Infektionen äußert. Dieses Krankheitsbild ist das einer Biotin-Avitaminose, die dadurch zustande kommt, dass sich dieser Eiweißkörper Avidin stöchiometrisch mit dem Biotin aus der Nahrung oder aus der Darmflora stammend, zu einem Komplex verbindet, der im Magen-Darm-Trakt weder spaltbar noch resorbierbar ist. Glücklicherweise sind gekochte Eier in dieser Hinsicht ungefährlich, weil der Eiweißstoff Avidin als Protein beim Kochen koaguliert und dabei die Kapazität zur Komplexbildung mit Biotin einbüßt. Die Beteiligung des Biotins an der Fettsäuresynthese hängt mit dem bereits erwähnten Bedarf von ATP und Kohlensäure zusammen. In Untersuchungen, an denen außer Wakils Arbeitskreise auch mein Laboratorium beteiligt war, ließ sich nachweisen, dass die biotinhaltige Enzymfraktion aus der Leber eine Acteyl-CoA-Carboxylase darstellt,ein Enzym, das Acetyl-CoA, dessen Formel Sie hier sehen, mit Kohlensäure HCO3 vereinigt unter Bildung von Malonyl-Coenzym A, also einem carboxylierten Acetyl-Coenzym A. Dieser Prozess lässt sich wiederum in das vorhin besprochene Energieschema einordnen. Die Vereinigung von Acetyl-CoA und Kohlensäure erfordert chemische Energie, die durch die Spaltung von ATP in ADP und Orthophosphat aufgebracht wird. Das Biotin stellt die Wirkungsgruppe des Enzyms dar. Es ist fest mit dem Eiweiß verbunden in Form eines Biotin-Enzyms, und das Biotin-Enzym wird im ersten Teilschritt der Enzymkette mit Kohlensäure, mit CO2 beladen unter Bildung eines CO2-Biotin-Enzyms. Das CO2-Biotin-Enzym überträgt dann im zweiten Reaktionsschritt die CO2-Gruppe auf das Acetyl-Coenzym A unter Bildung von Malonyl-Coenzym A. In chemischer Hinsicht besteht die Aufgabe des Biotins, dessen Formel Sie hier sehen - bitte halten Sie sich nicht daran auf, eine ist etwas kompliziert gebaut - was ich Ihnen zeigen möchte, ist, dass in chemischer Hinsicht die Aufgabe des Biotins einfach darin besteht, die reaktionsträge Kohlensäure durch Bindung an dieses Stickstoffatom hier in eine reaktionsfähige aktivierte Form überzuführen, mit deren Hilfe dann das Acetyl-Coenzym A carboxyliert werden kann. Mit der Aufklärung der katalytischen Wirkung des Biotins, die in München gelang, wurde auch verständlich, warum Avidin die Fettsäuresynthese verhindert. Das Avidin verbindet sich nämlich mit diesem Biotin des Enzyms zu einem stabilen Komplex und blockiert damit die Beladung des Biotins mit Kohlensäure. Dass das Biotin irgendwie an der Biosynthese der Fettsäuren beteiligt sein muss, war übrigens schon längere Zeit bekannt. So hatte zum Beispiel Boas bereits 1927 darauf hingewiesen, dass bei der sogenannten egg-white injury, der vorhin erwähnten Biotinmangelkrankheit nach Verfütterung von Eiklar, die Fettdepots des Organismus vollständig verschwinden. Auch das ist jetzt ohne weiteres verständlich. Beim Fehlen von Biotin kann der tierische Organismus keine vollständige Acetyl-CoA-Carboxylase mehr synthetisieren, damit fällt die Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA aus und folglich auch der Aufbau der Fettsäuren. Auch hier trifft es somit zu, dass die Symptome des Vitaminmangels nur das erste und äußerlich erkennbare Merkmal einer tiefgreifenden Störung des Zellstoffwechsels sind. Die zweite Enzymfraktion, die aus den Leberextrakten isoliert wurde, ist für die Umwandlung von Malonyl-CoA in Palmitinsäure verantwortlich. Hier ist also die erste Reaktion, die Bildung von Malonyl-CoA, hier kommt diese zweite Reaktion, die Umwandlung von Malonyl-Coenzym A in Palmitinsäure. Und für diesen Prozess werden noch dieses TPNH, das ist das reduzierte Triphosphor-Pyridinnucleotid, als Reduktionsmittel und - interessanterweise - kleine Mengen Acetyl-Coenzym A benötigt. Bei Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass die beiden Kohlenstoffatome des Acetyl-Coenzym A am Methylende der Fettsäuren wiedergefunden werden und somit der Aufbau der Kohlenstoffketten durch sukzessiven Anbau von zwei Kohlenstoffeinheiten aus Malonyl-Coenzym A an dieses Acetyl-Coenzym A zustande kommt. Die zugrunde liegende chemische Reaktionskette konnte in meinem Arbeitskreis beim Studium eines entsprechenden aus Hefezellen isolierten Enzymsystems entwirrt werden. Das Hefeenzym, das wir als Fettsäuresynthetase bezeichnet haben, unterscheidet sich etwas vom tierischen Enzym, weil es als Syntheseprodukt nicht freie Palmitinsäure, sondern die Verbindung der Palmitinsäure mit Coenzym A, des Palmityl-Coenzym A entsteht. Nun, diese gereinigte Synthetase erwies sich als ein Multienzymkomplex, der aus sieben Enzymen, die hier in der Figur durch diese Kugeln symbolisiert sein sollen, aus diesen Kugeln besteht und der nichts anderes darstellt als die Fabrikationsstätte für die Fettsäuren. Wichtig ist, dass in diesem Multienzymkomplex zwei verschiedene SH-Gruppen vorhanden sind. Eine hier, dieses SH und eine zweite hier, zweites SH. Und an diesen SH-Gruppen sind die Zwischenprodukte der Synthese kovalent gebunden. Wir unterscheiden diese beiden SH-Gruppen durch die Bezeichnung zentrale und periphere SH-Gruppe und deuten diesen Unterschied, in dem im nächsten Bild gezeigten Reaktionsschema durch Fett- und Magerdruck. Und hier werden viele von Ihnen erschrecken, ich will es aber für diejenigen, die chemische Formeln lesen können, doch ganz kurz erklären, wie die Synthese vonstatten geht und daher im folgenden Bild noch einmal das Prinzip kurz auseinandersetzen. Die Synthese wird eingeleitet mit einer Startreaktion, indem die Acetylgruppe aus Acetyl-Coenzym A auf die periphere Sulfhydrylgruppe des Enzymkomplexes übertragen wird, es entsteht ein Acetyl-Enzym. Dieses Acetyl-Enzym übernimmt nun ein Malonsäurerest vom Malonyl-Coenzym A und der zentralen Sulfhydrylgruppe, ich sagte ja, zentrale ist Fettdruck. Es entsteht im ersten Schritt ein Acetyl-Malonyl-Enzym. Hier attackiert nun die an der peripheren schwefelgebundenen Acetylgruppe den Malonsäurerest und es entsteht unter Abspaltung von CO2 Acetacetyl-Enzym. Dieses Acetacetyl-Enzym wird nun durch Reduktion, Wasserabspaltung, umgewandelt in Butyryl-Enzym, wobei als Zwischenprodukte Betahydroxylbutyryl-Enzym und Crotonyl-Enzym entstehen. Was wichtig ist, die Umwandlung der Ketosäure, CO hier, in die gesättigte Säure vollzieht sich an Säureresten, die alle an die zentrale Sulfhydrylgruppe des Multienzymkomplexes gebunden sind. Und erst auf der Stufe der gesättigten Säure tritt nun ein Wechsel des Säurerestes von der zentralen Sulfhydrylgruppe auf die periphere Sulfhydrylgruppe ein in dieser Reaktion. Damit wird aber die zentrale Sulfhydrylgruppe frei, und sie kann nun in dieser Reaktion einen neuen Malonsäurerest übernehmen. Es entsteht jetzt aus einem Butyrylmalonyl-Enzym, das nun in selben Reaktionen eintritt, wie ich das vorhin diskutiert habe, und zwar wird bei jeder Wiederholung dieses Prozesses die Kohlenstoffkette um zwei Kohlenstoffatome verlängert. Sie sehen, wir sind hier ausgegangen von einer Säure CH3CH2 n mal CO S usw., hier unten entsteht CH3CH2 n+1 mal CO S, also es sind zwei Kohlenstoffatome mehr, und das wird solange wiederholt, bis schließlich Fettsäuren mit Kohlenstoffketten von 16 bis 18 Kohlenstoffatomen aufgebaut sind. Und dann tritt die Abschlussreaktion ein, die hier unten gezeigt ist, nämlich die Rückübertragung des Fettsäurerestes von der zentralen Sulfhydrylgruppe auf das Coenzym A unter Regeneration des freien Enzyms, das nun in der Startreaktion von neuem mit Essigsäure beladen werden kann. Hier ist abgekürzt noch einmal das Wesentliche wiedergegeben, wir fangen also an mit einer Acetyl-CoA-Verbindung mit zwei Kohlenstoffatomen, das Malonyl- CoA überträgt den Malonsäurerest auf das Enzym, jetzt kommt die Kondensation unter Abspaltung von CO2, wir kommen zur Verbindung mit vier Kohlenstoffatomen, die noch die CO-Gruppe trägt, Reduktion führt nun zu einer Verbindung - Sie sehen, das ist einfach um zwei Kohlenstoffatome länger - wenn das nun in dieselbe Reaktion eintritt, wird eine Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen gebildet, Sie sehen also, wie sukzessive durch Anheften von zwei Kohlenstoffatomen die Ketten immer länger werden bis schließlich Ketten mit 16 und 18 Kohlenstoffatomen entstanden sind. Auf dieser Folge von Reaktionsschritten beruht unsere Vorstellung vom strukturellen Aufbau des Multienzymkomplexes. Wie wir annehmen, sind in seiner strukturellen Einheit die sieben Enzyme kreisförmig um diese zentrale Sulfhydrylgruppe angeordnet, und zwar derart, dass die an diese Sulfhydrylgruppe, an dieser SH-Gruppe gebundenen Zwischenprodukte nacheinander mit den aktiven Zentren der beteiligten Enzyme in Kontakt treten können. Der chemische Mechanismus der Fettsäuresynthese und Struktur des Enzymsystems, von uns aus zahllosen Experimenten am reinen Hefeenzym erschlossen, sind in den letzten Jahren durch Untersuchungen von Vagelos und Wakil am Enzymsystem der Bakterien bestätigt und ergänzt worden. Der Enzymkomplex aus Bakterium Coli, dem Darmbakterium, besitzt nicht die Stabilität desjenigen der Hefezellen oder der tierischen Gewebe. Bei der Fraktionierung zerfällt er in die einzelnen Komponenten, weshalb sich diese mit den Methoden der Proteinfraktionierung voneinander trennen lassen. Bei diesen Untersuchungen hat sich in Bestätigung unserer Vermutung herausgestellt, dass diese zentrale SH-Gruppe einem separaten Strukturelement, das hier so als Zigarre aus dem Komplex herausschaut, gebunden ist, das ein Protein darstellt und anscheinend selbst keine enzymatische Aktivität zu besitzen scheint. Vagelos nannte dieses Protein, dessen Molekulargewicht im Falle des Enzymsystems aus Bacterium coli etwa 10.000 beträgt, Acyl-Carrier-Protein, das heißt also Säurerest tragendes Protein. Bei der Fraktionierung tierischer Gewebsextrakte oder Hefeextraktes mit Milben die Enzymaktivität bewahrenden Methoden, bleiben die betreffenden Multienzymkomplexe intakt, in der Hefe, in tierischen Zellen sind diese Enzyme zu diesem Komplex durch Bindungskräfte zusammengehalten, sodass er intakt bleibt. Diese isolierten Multienzymkomplexe wandern im elektrischen Falt und auch in der Ultrazentrifuge einheitlich, und im Falle der Hefesynthetase ist ein Molekulargewicht von etwas 2,3 Millionen bestimmt worden. Und das Ordnungsgefüge dieses Multienzymkomplexes ist auch im Elektronenmikroskop sichtbar. Da ist eine Aufnahme des gereinigten Enzyms aus Hefe mit der Phosphorwolframsäuretechnik gewonnen was dazu führt, dass die Eiweißstrukturen als helle Gebilde auf einem dunklen Hintergrund erscheinen. Das sind also diese Fabrikationsstätten für die Fettsäuren, Sie sehen, dass diese Teilchen eine ganz diskrete Struktur besitzen, Sie sehen hier, da sind so einzelne Kugeln, das sind wahrscheinlich die einzelnen Enzyme, die hier zu dieser Übereinheit zusammengefasst sind. Die Teilchen selbst haben in der Größenordnung von 260 Angström Durchmesser oder Länge und 210 Angström Durchmesser. Leider können wir vorerst die elektronenmikroskopisch sichtbare Struktur noch nicht in bekannte Strukturschemata einordnen, aber Dr. Hofschneider vom Max-Planck-Institut für Biochemie, dem ich auch an dieser Stelle für seine wertvolle Hilfe danken möchte, ist auf dem Weg, dieses Ziel zu erreichen. In Zusammenhang mit chemischen Befunden ist ein Aufbau der Struktur aus drei ineinandergeschachtelten Ringen, so in dieser hier gezeigten Art, möglich, was mit der auch durch andere Befunde gestützten Annahme vereinbar wäre, dass in den Teilchen vom Molekulargewicht 2,3 Millionen drei komplette Enzymsätze für die Fettsäuresynthese vorliegen. Die chemische Identifizierung der beiden SH-Gruppen erbrachte sehr interessante Resultate. Die periphere SH-Gruppe liegt als Bestandteil der Aminosäure Cystein vor und wahrscheinlich gebunden in der Enzymkomponente für die Kondensation. Der Träger der zentralen SH-Gruppe hingegen erwies sich nach Untersuchungen amerikanischer Laboratorien, Wakil und Vagelos, am Bakterienenzym, und nach unseren Studien am Hefeenzym als ein alter Bekannter, nämlich als phosphoryliertes Pantethein, die Verbindung aus Pantothensäure und diesem Rest Cysteamin mit Phosphorsäure verbunden, also dieser Teil von hier bis hier. Alter Bekannter deshalb, weil wir ja diesen Bestandteil bereits als Komponente des Coenzym A kennengelernt haben. In der Fettsäuresynthetase ist dieses phosphorylierte Pantethein gebunden an einen Serinrest im Proteinverband. Und interessant an dieser Bindungsart ist, dass auf diese Weise die zentrale SH-Gruppe einen langen flexiblen Arm gewinnt, der ihre Rotation erleichtert und die mit ihr fest verbundenen Carbonsäuren in engem Kontakt mit den aktiven Zentren der verschiedenen Enzyme zu bringen vermag, obwohl diese im Multienzymkomplex räumlich stark fixiert sein dürften. Und in dieser Figur sollen die Kreise hier die aktiven Zentren einiger der hier beteiligten Enzyme schematisch wiedergeben, also hier das Enzym für den Malonyltransfer zum Beispiel, und dieser Arm kann sich um diese Bindungen drehen, der schwingt also hier, da wird die Malonsäure auf die SH-Gruppe geladen, dann wandert sie hier, dann tritt die Kondensation ein, hier ist also dieser Cysteinrest, der die periphere Sulfhydrylgruppe trägt und dann geht's weiter zur ersten Reduktion. Das soll also schematisch wiedergeben, wie am Arm diese Zwischenprodukte an den verschiedenen Enzymen vorbeigereicht werden können. Die wichtige Frage, warum der Fettsäureaufbau im Multienzymkomplex gerade auf der Stufe von Palmitin- und Stearinsäure, jedoch nicht vorher oder nachher abbricht, ist noch ein Rätsel. Es kann sein, dass hierbei der Spezifitätsbereich eines der beteiligten Enzyme eine maßgebliche Rolle spielt. Es wäre aber auch möglich, dass die spezifische Architektur des Multienzymkomplexes die Information zum Abbruch des Syntheseprozesses auf der Stufe der Säuren mit 16 bzw. 18 Kohlenstoffatomen in sich trägt. Der Ablauf einer aus vielen Schritten bestehenden Synthesekette in einem Multienzymkomplex bringt in reaktionskinetischer Hinsicht wesentliche Vorteile, weil die Diffusionswege für die Zwischenprodukte als Folge der festen Bindung an den Komplex auf ein Minimum beschränkt sind. Und hinzu kommt noch, was in physiologischer Hinsicht von allergrößter Bedeutung sein dürfte, dass Störungen des Syntheseprozesses durch fremde Enzyme, wie etwa durch die Enzyme des Fettsäureabbaus, unterbunden sind. Fettsäureaufbau und Fettsäureabbau sind in der Zelle räumlich geschieden, und damit gewinnt die Zelle die Möglichkeit, beide Prozesse getrennt voneinander ablaufen zu lassen, und was noch wichtiger ist, auch unabhängig voneinander zu regulieren. Wenn ich nun zum Abschluss auf die biologische Regulation der Fettsäuresynthese zu sprechen komme, so muss ich noch einmal zur Acetyl-CoA-Carboxylase zurückkehren, unter deren Wirkung, wie wir erfahren haben, Malonyl-CoA aus Acetyl-CoA entsteht, und zwar auf Kosten der Spaltung von ATP. Der Aufbau der Fettsäuren wird also in bester Übereinstimmung mit dem allgemeingültigen Grundplan des Synthesegeschehens, das ich hier einleitend geschildert habe, in der Zelle durch die Spaltung von ATP angetrieben. ATP ermöglicht die Fixierung der Kohlensäure im Acetyl-CoA, die dann beim Einbau des 2-Kohlenstoffbausteins in die Fettsäure wieder ausgestoßen wird. Für die biologische Steuerung der Fettsäuresynthese ist die Aktivität der Acetyl-CoA-Carboxylase des ersten Enzyms entscheidend, und zwar deshalb, weil es das limitierende Enzym darstellt. Die Fettsäuresynthetase, der Multienzymkomplex, das zweite Enzym, ist in den tierischen Geweben in großem Überschuss vorhanden, man sagt deshalb, Acetyl-CoA-Carboxylase ist der Schrittmacher, weil durch ihre Aktivität die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion bestimmt ist. Und das hat zur Folge, dass sich jede Aktivitätsänderung der Carboxylase auf die Geschwindigkeit der Fettsäuresynthese auswirken muss. Diese Acetyl-CoA-Carboxylase hat nun eine Besonderheit. Wie man gefunden hat, benötigt das Enzym den Metabolit Zitronensäure als aktivierenden Effektor, als Aktivator. Und das äußert sich darin, dass das Protein in Abwesenheit von Zitronensäure praktisch wirkungslos ist und erst in Gegenwart dieses Effektors Zitronensäure die Fähigkeit zur Carboxylierung des Acetyl-Coenzym A gewinnt. Um den halbmaximalen Aktivierungseffekt zu erreichen, muss die Zitronensäurekonzentration etwa Molar Tausendstel sein. Dieses Phänomen fällt unter die sogenannten allosterischen Effekte, Effekte, die nach den Untersuchungen der letzten Jahre bei der Regelung sehr vieler Stoffwechselprozesse maßgeblich beteiligt sind. Solche Effekte lassen sich damit erklären, dass die betreffenden Enzyme zwei verschiedene Bindungsstellen besitzen, eine für das Substrat und eine für den regulierenden Effektor. Durch die Bindung des Effektors an das Enzym wird die Form des Proteins, das heißt die Faltung der Polypeptidkette dergestalt verändert, dass aus einem katalytisch inaktiven Protein ein katalytisch aktives wird. Die Vorgänge sehr vereinfachend, lässt sich diese Formänderung in dem hier gezeigten Bild schematisch wiedergeben. Wenn wir uns vorstellen, das ist das Substrat, hat diese Form, dann sehen Sie, dass in diesem Gebilde, in dem Protein dieser Form dieses Substrat hier nicht hereinpasst an die Substratstelle. Wenn aber nun der Effektor hier mit dieser Effektorbindungsstelle in Wechselwirkung tritt, dann wird die Form des Proteins so geändert, dass nun - wie hier unten gezeigt wird - das Substrat in das Enzym hereinpasst und am Enzym umgesetzt werden kann. Das ist ein ganz rohes, einfaches Bild für die Prozesse dieser allosterischen Effektoren. Und tatsächlich geht die Änderung am Protein der Acetyl-CoA-Carboxylase sehr viel weiter und führt zu einer Aggregation des Proteins. Messungen in der Ultrazentrifuge lieferten als Sedimentationskonstante des unbehandelten Enzyms Werte zwischen 19 und 23 Svedberg-Einheiten, als Sedimentationskonstante des durch Zitronensäure aktivierten Enzyms jedoch Werte zwischen 40 und 50 Svedberg-Einheiten. Im Hinblick auf eine mögliche biologische Steuerung der Fettsäuresynthese reicht die Citrat-Aktivierung allein allerdings noch nicht aus. Die in den Geweben unter verschiedenen Bedingungen gemessenen Änderungen im Citratspiegel sind nämlich relativ zu gering, um in Anbetracht der nicht sonderlich hohen Affinität der Acetyl-CoA-Carboxylase zur Zitronensäure ins Gewicht zu fallen. Hier kamen wir erst weiter, als Dr. Bortz in meinem Laboratorium in den Coenzym A-Derivaten langkettiger Fettsäuren, also Fettsäure-Coenzym A-Verbindungen höchst wirksame Antagonisten der Zitronensäure entdecken konnte, die schon in minimalen Konzentrationen die Aktivierung des Enzyms durch Zitronensäure beseitigen. In systematischen Untersuchungen konnte Dr. Numa dann nachweisen, dass diese Fettsäure-CoA-Verbindungen, wie etwa Palmityl- oder Stearyl-CoA, die wir vorhin als Syntheseprodukte der Fettsäuresynthetase kennen gelernt haben, mit Citrat um die Effektorbindungsstelle konkurrieren, und auf diese Weise die zur Enzymaktivität führende Konformationsänderung, Formänderung des Proteins, verhindern. Und diese Vorstellung ließ sich durch kinetische Messungen einwandfrei beweisen und auch durch Beobachtungen der Sedimentation des Enzyms in der Ultrazentrifuge. Im nächsten Bild ist ein derartiger Sedimentationsversuch wiedergegeben. Hier oben ist das Enzym ohne Zusatz von Citrat. Die Position in diesem Diagramm, wie das gewonnen worden ist, darauf will ich im Einzelnen nicht eingehen, das braucht man auch nicht, die Position in diesem Diagramm gibt an, je weiter sich etwas nach dieser Richtung verschiebt, umso größer ist das Molekül, also ohne Citratmolekül diese Größe, kleine Größe. Wenn man nun Citrat zusetzt - wie vorhin gesagt - dann tritt Aggregation ein, das Enzym sedimentiert stärker, es verschiebt sich nach rechts. Wenn man nun in Gegenwart von Citrat auch noch Palmityl-Coenzym A zusetzt, dann wird die Aktivierung des Enzyms unterbunden durch Citrat und gleichzeitig auch die Aggregation, denn Sie sehen, in diesem Fall läuft das Protein wieder an der selben Stelle wie in Abwesenheit von Citrat. Bei Bestimmungen der Hemmwirkung homologer Fettsäure-Coenzym A-Derivate ergab sich, dass die Affinität dieser Verbindungen zum Enzym mit zunehmender Kettenlänge des Fettsäurerests ansteigt und zur Erzielung des gleichen Hemmungsgrads, zum Beispiel von Stearyl-Coenzym A, der Verbindung mit 18 Kohlenstoffatomen, hundertmal weniger erforderlich ist als von Decanoyl-CoA , der Verbindung mit nur 10 Kohlenstoffatomen. Aus diesen Befunden ließ sich die Vorstellung ableiten, dass auch der Kontrolle der Fettsäure-Synthese im tierischen Organismus ein negativer Rückkoppelungsmechanismus durch Endprodukthemmung zugrunde liegt, wie sie vom Studium vieler anderer Reaktionsketten des Zellstoffwechsels her bekannt ist. Und das Prinzip dieser Rückkopplungshemmung ist hier wiedergegeben, es ist ganz schematisch wiedergegeben, dass eine Substanz F, also ein Zwischenprodukt des Stoffwechsels, auf verschiedenen Wegen aus anderen Verbindungen entstehen kann über die Zwischenprodukte C, D, E bzw. Zwischenprodukte DI BI, und dass dann dieses Zwischenprodukt nun in eine Reihe von Reaktionsketten eintreten kann, G, H usw. bis N, dem Endprodukt der Synthesekette oder auch in andere Reaktionen H1, G2, H2 usw. Die Endprodukthemmung kommt dadurch zustande, dass das Endprodukt der Synthesekette, also der Stoff N, das Enzym, welches die Umwandlung von F in G bewirkt, spezifisch hemmt. Und das hat zur Folge, dass dann, wenn das Endprodukt sich anhäuft, der Weg unterbunden wird, diese Synthesekette unterbunden wird, die zur Synthese dieses Produktes N führt, also eine Rückkoppelungshemmung durch das Endprodukt. Das nächste Bild gibt das Schema der Lipogenese wieder, wir sehen hier unser Acetyl-Coenzym A, das - wie wir erfahren haben - aus Kohlenhydrat entsteht. Dieses Acetyl-Coenzym A wird durch Carboxylierung in Malonyl-CoA umgewandelt, daraus entstehen dann die Fettsäure-CoA-Verbindungen, die dann in Fett, Phospholipide und Sphingolipide komplexe Verbindungen eingebaut wird. Und wie Sie aus diesem Schema sehen, sind die Fettsäure-CoA-Verbindungen die letzten Glieder in der Synthesekette, bevor Einbau in die komplexen Lipide erfolgt. Steigt daher die Konzentration dieser Fettsäure-CoA-Verbindungen in den Geweben an, so ist dies das Zeichen dafür, dass der Bedarf für den Aufbau der komplexen Lipide gedeckt ist, und es wäre unnötige Verschwendung, würde weiteres Acetyl-CoA auf den Weg dieser Biosynthese geleitet. Und das wird nun dadurch verhindert, dass die langkettigen Fettsäure-CoA-Verbindungen die Acetyl-CoA-Carboxylase hemmen, also gerade das Enzym, welches diese Umwandlung bewirkt, gerade also dieses Enzym, welches den ersten und geschwindigkeitsbestimmenden Schritt dieser Synthesekette katalysiert und unter dessen Wirkung der Weg zur Fettsäuresynthese von den anderen Umwandlungen des Acetyl-Coenzym A, zum Beispiel der Verbrennung im Zitronensäurezyklus oder der Bildung des Cholesterins, der Terpene der Sterine abzweigt. Nun, die eben entwickelte Vorstellung von der regelnden Wirkung der Fettsäure-CoA-Verbindungen hängt nicht in der Luft, sondern hat eine experimentelle Basis. Es ist nämlich seit langem bekannt, dass unter Bedingungen wie Hunger, Diabetes oder Fettfütterung, unter denen die Fettsäuresynthese im tierischen Organismus erheblich vermindert ist, der Blutspiegel an freien Fettsäuren und somit der Zustrom freier Fettsäuren in die Organe, wie etwa die Leber, beträchtlich ansteigt. Das heißt, wenn der Spiegel an Fettsäuren erhöht ist, dann werden in den Organen nach Zustrom diese Fettsäure-CoA-Verbindungen gebildet, der Spiegel an diesen Fettsäure-CoA-Verbindungen steigt an, bei Diabetes und Hunger ist dieser Anstieg der Fettsäuren die Folge einer Mobilisation der Fettdepots im Körper. Und wie quantitative Bestimmungen in mehreren Laboratorien ergeben haben, ist unter all den aufgezählten Bedingungen der Gehalt der Leber an langkettigen Fettsäure-CoA-Verbindungen stark erhöht. Da ist hier diese Tabelle, Sie sehen, also in normalen Versuchen bei Ratten, Wieland fand 15 Millimikromol pro Gramm Frischgewicht, also die Zahl 15, Werte von uns im normalen Tier auch etwa 15. Wenn man aber das Tier hungern lässt, dann steigt dieser Wert an Fettsäure-CoA-Verbindungen bereits auf das Vierfache an. Hier sind Versuche von Engländern, die haben einen höheren Normalspiegel gefunden, was auf Unterschiede in der Bestimmungsmethode zurückzuführen ist, aber auch hier wieder: nach Hunger Verdoppelung, nach Fettfütterung fast nahezu Verdreifachung, und im akut dekompensierten Diabetes, also in der Zuckerkrankheit auch etwa 100, also Verdoppelung. Und zuletzt - hier unten - Versuche von Wieland in München, normal deckt sich mit unseren Befunden, auch hier wieder akut dekompensierter Diabetes, es waren Ratten, die sind mit Alloxan Diabetes gemacht worden, da hat man eine Zeitlang Insulin gegeben, Insulin abgesetzt, dann steigt der Fettsäure-CoA-Spiegel an, wenn man aber die Ratten mit Insulin behandelt, damit den Diabetes verhindert, sehen Sie, hat man normale Werte. Also in all diesen Situationen, in denen die Fettsäuresynthese verhindert ist, da steigt der Spiegel an Acyl-CoA-Verbindungen an, und damit wäre unsere Vorstellung von der Regulation der Fettsäuresynthese bestätigt. Sie werden mich nun vielleicht fragen, was sind die praktischen Konsequenzen, der mit diesen Untersuchungen gewonnenen Einblicknahmen in den chemischen Mechanismus der Fettsäuresynthese und ihrer Regelung.

Feodor Lynen (1966)

Build-Up of Fatty Acids in the Cell (German presentation)

Feodor Lynen (1966)

Build-Up of Fatty Acids in the Cell (German presentation)

Comment

Feodor Lynen lectured in Lindau three times. In the present lecture, given only two years after he received the Nobel Prize, he talks about fat metabolism. In the latter two lectures, given in 1972 and 1975, he focuses on the issue of cholesterol, its regulation and impact on human health. Both topics are closely related and both were part of the work that earned him and Konrad Bloch the 1964 Nobel Prize in Physiology or Medicine.

Lynen begins the present lecture by pointing out some fundamental, but often misconceived facts about the relation of nutritional fat and body fat. Compared to carbohydrates and proteins, fats have the highest energy content, Lynen says: a gram of fat contains more usable energy than a gram of sugar, approximately double. For this reason, fat rich diets are also energy rich and can in fact promote weight gain, i.e. the build-up of adipose (fatty) tissue or the colloquial “fat pads”. This is one of the ways by which our bodies achieve long term energy storage.

However, the growth of “fat pads” can also be sustained by carbohydrates and proteins. So even if one would follow a completely fat free diet, one could still, quite easily, “fatten up”. What counts is the total energy intake. This is due to our body’s ability to biosynthesize fats from very small, universal building blocks, which can be derived from proteins as well as from sugars, Lynen points out.

He then goes on to discuss the chemical details of the biochemical synthesis of fats, a truly amazing process. The long hydrocarbon chains (usually 16 or 18 carbon atoms long) of fatty acids are successively made from several acetic acid molecules. These are the universal building blocks mentioned above. Acetic acid is an intermediate in energy metabolism and contains only two carbon atoms. Before it can be used for the synthesis of fatty acids, it needs to be activated. This is done by esterification to a molecule of coenzyme A.

The special feature of this esterification is that it yields an energy rich, unstable thioester, the so called S-Acetyl-Coenzyme A. A molecule of S-Acetyl-Coenzyme A equals an activated two carbon atom building block. By virtue of a multi-enzyme complex several of these building blocks are then used to construct the fatty acid. This process takes place in adipose tissue and the liver. The insight, that acetic acid is activated by means of a thioester is one of the early results that gained Lynen’s laboratory international recognition.

In the last part of his talk, Lynen discusses the regulation of fatty acid synthesis and metabolism, pointing out that our body uses several feedback loops to control how much fatty acids are made. On the one hand, fatty acid synthesis is responsive to the availability of citric acid. Only if the latter is abundantly available, new fatty acids are made. Since a high concentration of citric acid indicates a high rate of energy metabolism, this feedback loop helps to ensure that fatty acids are only made if excess energy is available. On the other hand, fatty acid synthesis is controlled by its own end products. If too much fatty acids are made, the synthesis rate is slowed down to avoid an excessive build-up.

David Siegel

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