Neuropeptide und die Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels im Fettkörper der Argentinischen Schabe (Blaptica dubia)

Trehalose ist der Hauptblutzucker in der Hämolymphe der meisten Insekten. Trehalose wird im Fettkörper synthetisiert, dem wichtigsten Organ des Intermediärstoffwechsels bei Insekten. Wie die Homöostase des Blutzuckers reguliert wird, ist nicht vollständig geklärt. Die Produktion von Trehalose erfordert eine grundlegende Umschaltung im Stoffwechsel des Fettkörpers, die mehrere wichtige Stoffwechselwege betrifft, so dass die Fettkörperzellen (Trophocyten) von der Speicherung und Katabolisierung von Zucker zur Mobilisierung von Reservestoffen (Glykogen, Fett, Protein) und Trehalosesynthese umschalten. Am Fettkörper und isolierten Trophocyten der Argentinischen Schabe (Blaptica dubia) wurden Stoffwechseleffekte und Elemente der Signalkette des hypertrehalosämischen Hormons Bld HrTH untersucht. Inkubation isolierter Fettkörperloben mit Bld HrTH verringerte innerhalb von 60 min den Glykogengehalt (um 13,4 %) und steigerte die Konzentration der Hexosephosphate Glucose-6-phosphat und Fructose-6-phosphat, die Substrat sowohl für die Trehalosesynthese als auch für die Glykolyse sind. Pyruvat, Glycerin-3-phosphat, Citrat und insbesondere Fructose-1,6-bisphosphat (+750 %) waren ebenfalls erhöht. Der Glykolyseaktivator/Gluconeogeneseinhibitor Fructose-2,6-bisphosphat wird durch Bld HrTH vermindert. Da Trehalosesynthese und Glykolyse um dieselben Substrate (Glucosephosphate) konkurrieren, fördert der hormoninduzierte Abfall des Glykolyseaktivators Fructose-2,6-bisphosphat die Trehalogenese.Es ist gelungen, Trophocyten zu isolieren und die Signaltransduktion von Bld HrTH an einheitlichen Zellen und auch an Einzelzellen zu studieren. Hauptziel dieser Arbeit war es, die Funktion von Ca2+ im Signalweg des Bld HrTH genauer zu untersuchen. Die isolierten Zellen reagierten auf das Neuropeptid mit einer deutlichen Steigerung der Trehalosesynthese (+133,7 %) und einer Senkung des Fructose-2,6-bisphosphat-Gehaltes (-30,2 %). Sie bieten somit ein geeignetes System zur Untersuchung der Wirkungsmechanismen von Bld HrTH auf zellulärem Niveau. Ca2+ aus dem Extrazellulärraum und aus intrazellulären Speichern spielen bei der Signaltransduktion eine Rolle. Während extrazelluläres Ca2+ insbesondere für die Senkung des Fructose-2,6-bisphosphat-Gehaltes wichtig war, wurde Ca2+ aus zellulären Speichern insbesondere für die Trehalosesynthese benötigt, wobei sich jedoch beide Wege wechselseitig beeinflussen. Erstmals konnten an isolierten Trophocyten Änderungen von Ca2+ mikrofluorometrisch an Einzelzellen studiert werden. Das hypertrehalosämische Hormon ruft einen schnellen und starken Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration ([Ca2+]i) hervor. Die Untersuchungen deuten auf einen Signalweg über IP3 und Diacylglycerin hin, entsprechend der Phosphoinositidkaskade. Eine Beteiligung des biogenen Amins Octopamin, von cAMP oder von Stickstoffmonoxid (NO) an der Signaltransduktion scheint hingegen unwahrscheinlich. Der Zuckergehalt im Medium scheint ebenfalls auf die Trehalogenese zu wirken. Bei hohen Konzentrationen von Glucose oder Trehalose wurde eine Hemmung der Trehalosesynthese beobachtet, die als Rückkopplungshemmung gedeutet werden kann. Bei Hunger wird das im Fettkörper gespeicherte Glykogen stark reduziert. Außerdem scheint die Zahl der symbiontischen Mikroorganismen in den Mycetocyten verringert.

Untersuchungen zur Regulation der Trehalaseaktivität bei der Wanderheuschrecke Locusta migratoria

Flugfähige Insekten sind äußerst leistungsfähige Tiere. Ihre Flugmuskulatur ist das Gewebe mit der höchsten ATP-Umsatzrate im Tierreich. Der hohe Energieumsatz ist möglich durch einen vollständig aeroben Stoffwechsel der Flugmuskulatur, der durch die effiziente Sauerstoffversorgung über das Tracheensystem gewährleistet wird. Andererseits haben Insekten einen offenen Blutkreislauf, d.h. ihre Gewebe werden nicht über Kapillaren mit Substraten versorgt, sondern von der Hämolymphe umspült, die daher eine hohe Konzentration an energieliefernden Substraten haben muss. Als schnell verfügbares Substrat nutzen Wanderheuschrecken bei Beginn eines Fluges als Hauptsubstrat Trehalose, die in hoher Konzentration als Hämolymphzucker vorliegt (20 bis 40mal höhere Konzentration als Glucose). Trehalose ist, anders als Glucose, ein nicht-reduzierender Zucker und daher nicht toxisch. Allerdings muss das Disaccharid Trehalose zu Glucose hydrolysiert werden, bevor sie im Zellstoffwechsel verwertet werden kann. Diese Funktion erfüllt die Trehalase (EC 3.2.1.28), ein Enzym, das membrangebunden ist und nach Zellfraktionierung in der Mikrosomenfraktion erscheint. Es ist schon lange offensichtlich, dass die Aktivität der Trehalase regulierbar sein muss und zwar reversibel (eine Eigenschaft, die für Hydrolasen ungewöhnlich ist), der Mechanismus ist allerdings bislang nicht klar, da alle üblichen Typen von Aktivitätsregulation nicht verwirklicht zu sein scheinen. Die meisten Autoren vermuten, dass die Regulation über den Transport des Substrats erfolgt. Ein Trehalosetransporter konnte allerdings bisher in der Flugmuskulatur von Locusta nicht nachgewiesen werden. In dieser Arbeit stelle ich Experimente vor, die dafür sprechen, dass Trehalase als Ektoenzym aktiv ist (overte Form), während eine inaktive Form (latente Form) in Vesikeln im Cytoplasma vorliegt und per Exocytose reversibel in die Plasmamembran transloziert werden kann. Für die Testung dieser Arbeitshypothese nutzte ich Trehazolin, einen sehr spezifischen Inhibitor der Trehalase, der äußerst fest und dauerhaft im aktiven Zentrum des Enzyms bindet. Dazu war es nötig, die Flugmuskulatur zu fraktionieren, um die Effekte von Trehazolin auf die verschiedenen Formen der Trehalase (gebunden, löslich, overt, latent) zu analysieren. Mit der Arbeitshypothese vereinbar sind die folgenden Befunde: (1) In die Hämolymphe injiziertes Trehazolin hemmt bevorzugt die overte Trehalase und erst bei höheren Dosen und nach längerer Zeit die latente Form. (2) Trehazolin wirkt in hoher Dosis (50µg pro Tier) auch nach Verfütterung, allerdings stark abgeschwächt, da nach 24 Stunden ein signifikanter Effekt nur auf die overte, aber nicht auf die latente Form sichtbar war. (3) In einem Langzeitversuch über 30 Tage führte die einmalige Injektion von 20µg Trehazolin zu einer schnellen Hemmung der overten Trehalase, der eine verzögerte Hemmung der latenten Aktivität folgte. Der Zeitverlauf von Hemmung und Erholung spricht für eine Vorläufer-Produkt-Beziehung zwischen latenter und overter Form. (4) Flugaktivität der Tiere führt zu einer starken Verminderung der latenten Aktivität, falls Trehazolin in der Hämolymphe der Tiere vorhanden war. (5) Neuropeptide könnten die Translokation fördern. Insulin hat einen entsprechenden Effekt, der aber unabhängig ist von der Flugaktivität. (6) Der PI3-Kinasehemmstoff Wortmannin stabilisiert die latente Form der Trehalase. Auch andere Organe als die Flugmuskulatur besitzen Trehalase, aber mit deutlich geringerer Aktivität. In der Sprungmuskulatur könnte auch eine latente Form vorhanden sein, für Darm und Gehirn ist das nicht wahrscheinlich.